Il ciclo denominato Rimini, svolto ovviamente dal Porter con batterie LFP da 132 Ah, in uso nella città Rimini, ha una durata di 16441 secondi con un campionamento compiuto ogni 2 secondi dal Data Logger, per cui l’operatore ecologico ha utilizzato il veicolo per 9 ore e ha percorso all’incirca poco più 50 km.
Per la validazione del modello, dato che il veicolo non viene più guidato in un laboratorio di collaudo, ma si trova a lavorare in un ambiente sicuramente più ostile, è stato necessario apportare qualche lieve modifica negli elementi in cui è presente una certa efficienza nel loro utilizzo, come il motore elettrico e il differenziale.
Nelle figure seguenti, per lo stesso grafico, sono rappresentati gli andamenti dei profili di velocità, in blu quello richiesto dal ciclo e in rosso quello del veicolo, come si può ben notare il
0E0 2E3 4E3 6E3 8E3 1E4
-8000 -6000 -4000 -2000 0
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[s] PotGE.pow er
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ciclo viene seguito molto fedelmente. Per ragioni di chiarezza e per una lettura più accurata dei grafici si è preferito suddividere il ciclo, essendo molto lungo, in tre figure
Figura 57 - Profilo di velocità da 0 a 5000 secondi
Figura 58 - Profilo di velocità da 5000 a 10000 secondi
0 1000 2000 3000 4000 5000 -10 0 10 20 30 40 50 60
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[s] propDriver.from_kmh.y speedSensor.v
5E3 6E3 7E3 8E3 9E3 1E4
0 10 20 30 40 50
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[s] propDriver.from_kmh.y speedSensor.v
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Figura 59 - Profilo di velocità da 10000 a 16441 secondi
Dai grafici si può notare come il ciclo è caratterizzato da continue accelerazioni e frenate con alcune pause più o meno lunghe in cui l’operatore ecologico scende dal mezzo per compiere le sue mansioni, altre pause e fermate sono dovute al normale traffico incontrato dal veicolo: svolte agli incroci, semafori.
Si individuano chiaramente i due momenti in cui il veicolo si reca alla discarica, circa al termine del primo terzo del ciclo, dopo i 5500 secondi e al termine della terza parte prima di recarsi al deposito.
L’andamento del SOC per la simulazione del il ciclo Rimini risulta molto simile a quello ricavato sperimentalmente a bordo veicolo. In Figura 54 è rappresentato in colore blu l’andamento del SOC rilevato con Data Logger e in colore rosso quello della simulazione con Dymola.
1.0E4 1.1E4 1.2E4 1.3E4 1.4E4 1.5E4 1.6E4
0 10 20 30 40 50
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[s] propDriver.from_kmh.y speedSensor.v
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Figura 60 - Confronto tra il SOC misurato (blu) e il SOC simulato (rosso)
L’errore commesso dalla simulazione per quanto riguarda il SOC è all’incirca del 2% nella prima parte del ciclo per poi invece ridursi quasi completamente con l’avanzamento della simulazione e a sovrapporsi a quello misurato.
La potenza meccanica in uscita dalla macchina elettrica, come si può vedere dalla Figura
55 raggiunge un massimo di circa 17.4 kW
Figura 61 - Potenza in uscita dalla macchina elettrica (particolare)
4400 4600 4800 5000 5200 5400 -1.0E4 -5.0E3 0.0E0 5.0E3 1.0E4 1.5E4 2.0E4
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[s]
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Nella figura sottostante viene rappresentato il confronto tra la potenza necessaria alla propulsione, per gli ausiliari e quella erogata dalla batteria.
Figura 62 - Confronto tra le potenze (particolare)
Nel seguente grafico viene rappresentata la potenza assorbita dagli ausiliari; si può riscontrare come siano presenti due picchi importanti dovuti all’azionamento della vasca una volta che il Porter Electric è arrivato alla discarica per svuotare il carico.
Come scritto nel paragrafo 3.1.9 la potenza dovuta agli ausiliari è dovuta all’azionamento della servoguida e all’azionamento del ribaltamento della vasca quando il veicolo guidato dall’operatore si reca in discarica, questo accade due volte nel ciclo preso in considerazione.
3200 3240 3280 3320 3360 3400 3440 -2000 0 2000 4000 6000 8000
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[s]
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Figura 63 - Potenza assorbita dagli ausiliari
Con i dati a disposizione può essere effettuato il confronto tra la corrente assorbita dalla batteria per il funzionamento dell’azionamento elettrico e dei carichi ausiliari: in blu è rappresentata la corrente assorbita e misurata dal Data Logger, in rosso quella simulata.
Data la grande mole di valori raccolti dal Data Logger è difficile fare una sovrapposizione si riporta quindi un ingrandimento dell’andamento delle correnti.
La conoscenza delle correnti in batteria ha permesso inoltre filtrare i valori massimi di corrente assorbita in frenata ricavata dal recupero di energia cinetica in frenata, infatti il veicolo è dotato di freni meccanici che dissipano parte di questa energia, mentre una parte, e non tutta permetterà di ricaricare la batteria. Nel modello come si è visto sono stati inseriti due elementi atti a filtrare la coppia positiva, ma soprattutto quella negativa inviandola a valle della meccanica elettrica, come se venisse attivato un freno, quando si trovasse a superare il limite prefissato.
0.0E0 5.0E3 1.0E4 1.5E4
0 200 400 600 800 1000
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[s] PotAus.pow er
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Figura 64 - Confronto tra la corrente misurata e (blu) e quella simulata (rossa)
La simulazione segue con buona fedeltà l’andamento della corrente veramente assorbita dalla batteria; occorre tener conto che i dati raccolti dal Data Logger presentano errori sparsi, soprattutto nella rilevazione della velocità, dando valori a volte non coerenti a causa probabilmente di perdite del segnale GPS, che rendono per alcuni tratti difficile e poco precisa la simulazione attraverso il software Dymola.
È stato scritto precedentemente che il veicolo parte, a inizio turno, dal deposito scarico per poi una volta raggiunto il centro urbano iniziare la raccolta di rifiuti compiendo ripetute soste e ripartenze, questo determina una variazione della massa che la simulazione deve tener conto. Tenendo presente che il veicolo considerato ha un limite di portata utile si è proceduto per ogni stop di almeno 20-30 secondi, confrontando anche la posizione tramite coordinate GPS, infatti ci sono momenti in cui il veicolo è fermo per una certa durata di tempo perché fermo a un semaforo o perché si deve immettere in una strada trafficata, ad aumentare la massa del modello nella simulazione.
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Attraverso uno studio attento delle coordinate GPS si è potuto determinare con precisione in quali istanti del ciclo il veicolo, una volta raggiunto un certo carico trasportato, si reca alla discarica. Con vari tentativi si è potuto stabilire che, nel caso qui presentato, a circa un terzo di ciclo, quando il veicolo si reca per la prima volta alla discarica, è stata raggiunta la massima portata ammissibile. Terminato lo scarico il veicolo torna al deposito per un lungo stop, presumibile la pausa pranzo dell’operatore ecologico, poi ripartirà nuovamente per continuare il turno di lavoro effettuando stop e ripartenze come in precedenza. Il veicolo di conseguenza aumenterà anche in questo caso il carico trasportato.
Nel modello è stata inserita questa variazione di massa come scritto nei paragrafi 3.1.7 e
3.1.8 dato che determina un aumento della potenza necessaria al moto del veicolo e che quindi
si riflette nel valore di SOC misurato dal Data Logger, il cui inseguimento del profilo nel tempo, operato per la validazione del modello, è servito per determinare quanto aumentasse a massa ad ogni stop del veicolo.
Figura 65 - Andamento della massa durante il ciclo
Il caso qui riportato è inerente ai dati raccolti in un sabato, lo stesso è stato fatto per gli altri giorni della settimana per validare correttamente il modello.
0.0E0 5.0E3 1.0E4 1.5E4
1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900
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[s] MassVarSab.y
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CAPITOLO V
CONCLUSIONI
La presente tesi ha riguardato il lavoro di validazione di un modello di veicolo elettrico partendo da dati ottenuti sperimentalmente: dal collaudo fornito dal centro prove di Brescia e dai dati raccolti sperimentalmente attraverso Data Logger montato a bordo del veicolo.
I veicoli di partenza considerati sono stati tre: Piaggio Porter Electric Power (con batterie piombo gel), Porter Li 132 (con batterie litio ferro fosforo da 132 Ah), Porter Li 198 (con stessa tipologia di batterie del precedente, ma con maggiore capacità: 198 Ah). L’energia installata a bordo è diversa per ciascun veicolo, per tutti e tre viene mantenuto lo stesso azionamento elettrico.
Poi sono stati proposti altri due modelli: uno “full Hybrid” che sfrutta la presenza di un convertitore primario per fornire la potenza utile media per la propulsione e uno ibrido “range extender” in cui viene installato un generatore elettrico che fornisce potenza alla batteria per far sì che il SOC non si scarichi oltre un certo valore.
Il veicolo collaudato dal centro prove di Brescia a compiere il ciclo combinato NEDC è il Porter Li 198, allestito dal Gruppo Pretto. I dati presenti nel verbale riguardavano i chilometri percorsi, la massa con il quale il veicolo è stato provato, il valore di SOC ad inizio e fine (8%) e dati utili per il calcolo della forza resiste aerodinamica. Il veicolo testato
Il primo step di questo lavoro di tesi è stato quello di creare, attraverso il software di simulazione, un modello che seguendo il profilo del ciclo scelto, come ad esempio il ciclo NEDC, e inserendo i dati forniti dal collaudo, presentasse un andamento del SOC e delle correnti assorbite il più possibile conforme a quello dichiarato. Gli elementi chiave per ottenere un modello che interpreti al meglio i risultati ottenuti sono: la batteria, il motore elettrico.
I dati della batteria installata a bordo veicolo sono stati forniti dal Gruppo Pretto e riguardano le batterie di tipologia LFP (litio-ferro-fosforo) con elettrolita polimerico, che permette una maggiore efficienza, da questi è stato possibile inserire nel modello che idealizza
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la batteria il valore di capacità di ciascuna singola cella, la sua tensione, il numero di serie e paralleli di cui è formata, la sua efficienza di scarica e il valore di SOC (Stato di Carica).
Il motore elettrico è lo stesso montato dal Porter prodotto da Piaggio di cui si conoscono i dati di targa: potenza, coppia, velocità angolare, per i valori nominali e massimi. Il motore, idealizzato da un blocco nel programma di simulazione, ha al suo interno una mappa di efficienza che stabilisce a quale rendimento sta funzionando la macchina in base ai valori di coppia e velocità angolare richiesti per seguire il ciclo di collaudo. Essendo la macchina elettrica un motore a corrente continua eccitazione serie il rendimento che presenta non risulterà molto alto rispetto ad un azionamento più efficiente come il motore brushless utilizzato per il caso del veicolo “full hybrid”.
Si ottiene così attraverso il software di simulazione un modello valido per valutare, cambiando i parametri di batteria, i modelli presentati in questa tesi. Si è infatti scelto di confrontare i veicoli a parità di carico trasportato, infatti conoscendo la massa di un Porter Piaggio a vuoto e conoscendo la massa dei moduli batterie installati a bordo del veicolo collaudato dal centro prove è stato possibile stabilire il valore del carico di prova. I modelli precedentemente presentati sono stati provati a seguire il ciclo NEDC
I risultati così ottenuti hanno portato a determinare quanti chilometri ciascun veicolo è in grado di percorrere quando il valore SOC è sceso allo stesso valore di quello indicato a fine prova nel verbale di collaudo:
Il Porter piombo gel ha percorso 87 km Il Porter Li 132 ha percorso 78 km Il Porter Li 198 ha percorso 112.4 km
Viene preso come riferimento il Porter prodotto da Piaggio per quanto riguarda l’energia installata a bordo, infatti è utile fare una analisi energetica dei modelli riportati in tesi.
Il Porter Li 132 ha percorso 78 km, meno degli altri due veicoli, se confrontato con il modello con batterie al piombo esso presenta il 27% in meno di energia installata e percorrendo l’11% in meno di chilometri.
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il Porter Li ha percorso 112.4 km, molti più rispetto agli altri due modelli considerati, in termini di energia installata a bordo esso ha il 10% di energia in più rispetto al modello con batterie al piombo ed è in grado di percorrere il 30% in più di chilometri.
Come è facile intuire il vantaggio delle batterie al litio è quello avere una alta energia massica, infatti il confronto tra i modelli di Porter può essere fatta anche in termine di massa risultando sempre a favore dei modelli che montano batterie al litio e questo si riflette nella possibilità di aumentare la portata utile ammessa dal veicolo.
Il vicolo Porter “full hybrid” può risultare molto vantaggioso per quanto riguarda il risparmio del consumo di carburante, come detto reso possibile attraverso il controllo della potenza media utile erogata dal convertitore primario e la riduzione delle emissioni inquinanti in atmosfera e produzione di CO2 rispetto al veicolo con solo motore termico, risulta dalle prove di
simulazioni un consumo di carburante circa di 3.8 L/100km.
Questo tipo di architettura pur essendo un una buona soluzione risulta il più elaborato da costruire e presenta limiti a causa degli ingombri richiesti dei vari componenti e che il Porter, date le sue contenute dimensioni difficilmente riuscirebbe ad ospitare.
Il modello Porter ibrido “range extender” rappresenta un buon compromesso rispetto al modello “full hybrid”, l’idea è quella di aumentare l’autonomia del veicolo grazie all’installazione di un generatore elettrico atto a ricaricare la batteria una volta raggiunto un certo valore di SOC. Tale soluzione è costruttivamente più semplice dato che il generatore elettrico potrebbe trovare spazio nella parte posteriore del veicolo tra vasca e abitacolo. Anche in questo caso il generatore elettrico facendo funzionare il motore a scoppio al suo interno ad un regime di velocità stabilito permette diminuire i consumi di carburane e le emissioni di inquinanti in atmosfera. Il consumo di carburante calcolato attraverso prove di simulazione è 3.34 L/100km.
Per quanto riguarda il software si può ritenere che esso rappresenta un ottimo strumento per lo studio e la realizzazione di modelli permettendo di apportare facilmente modifiche nei codici di modelli già presenti in libreria il che consente di lavorare con grande libertà e risultati ottenuti dalle simulazioni sembrano essere attendibili e uno sviluppo futuro di questa tesi potrebbe essere quello di realizzare il veicolo con “range extender” per valutare l’efficacia del programma di simulazione e i suoi risultati
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Bibliografia
- Direzione Generale Territoriale del Nord-Ovest, Centro Prova Autoveicoli di Brescia,
Certificato di approvazione Porter allestito con batterie al Litio, 2014
- Gazzetta ufficiale dell’Unione Europea, Regolamento n.101 della Commissione economica
per l’Europa delle Nazioni Unite (UN/ECE), 26.5.2012
- M. Ceraolo, Sistemi di accumulo elettrochimico, dispensa del corso di Sistemi Elettrici di
Bordo, Università di Pisa novembre 2013
- M. Ceraolo, Strategia di gestione energetica dei veicoli ibridi, dispensa del corso di Propulsione Elettrica Università di Pisa, ottobre2014
- Piaggio Porter Electric Power, Manuale di Officina, edizione 03_01/2014 - Piaggio Commercial Vehicles, Catalogo gamma veicoli
- Rossi Oleodinamica, Catalogo Attrezzatura Impianto Elettroidraulico - Kaitek, Manuale display multifunzione
- Sinopoly, Product specification Catalogue cell type SP-LFP66Ah - Kokam, Cell brochure Kokam Li-ion/Polymer Cell
- Tesi di Laurea Magistrale anno accademico 2008-2009, Modellazione e simulazione del