4.1 Parametri al contorno

Capitolo 4 – Simulazione e risultati

4.1 Parametri al contorno

Per parametri al contorno si intendono i valori immessi nel modello per effettuare le simulazioni. Come è facilmente intuibile è proprio agendo su questi parametri che si verifica il comportamento dello scooter durante il suo reale funzionamento. Qualora questi parametri fossero evidentemente sbagliati i risultati restituiti sono inutilizzabili.

La prima cosa da valutare sono i parametri da inserire come ingresso.

In questo caso, dato che come più volte è stato ripetuto, la simulazione è una simulazione a logica inversa gli ingressi utilizzati sono oltre ai valori del SOE nel tempo, le accelerazioni e le velocità che simulano le richieste del pilota. Piaggio S.p.A. utilizza per le verifiche sui modelli un ciclo di velocità come quello sotto riportato

Ciclo ECE 40

figura 4.1 ciclo di velocità ECE 40

Il ciclo sopra riportato è denominato ciclo ECE 40 ed è stato

ricostruito in ambiente Matlab attraverso una apposita funzione, riportata in

allegato, il corrispondente ciclo di velocità ed accelerazioni corrispondente ad esso, misurato in m/s e m/s

. Il risultato è riportato nei seguenti grafici.

Ciclo ECE 40 – velocità [m/s]

figura 4.2 profilo di velocità in m/s utilizzato per le simulazioni (ciclo ECE 40) Ciclo ECE 40 – accelerazioni [m/s

]

figura 4.3 profilo di accelerazione in m/s

utilizzato nelle simulazioni (ECE 40)

Per un rapido confronto si riporta anche la curva di velocità in km/h unità di misura in cui è riportato il ciclo ECE 40 utilizzato da Piaggio S.p.A.

48

Ciclo ECE 40 – velocità [km/h]

figura 4.4 profilo di velocità utilizzato nelle simulazioni riportato in km/h

Dagli andamenti di velocità ed accelerazione, rispettivamente in m/s e m/s

sopra riportati viene valutata la P

necessaria alla ruota che risulta essere

P

figura 4.5 Potenza alla ruota necessaria per effettuare il ciclo ECE 40

Come già spiegato tale curva rappresenta non la potenza alla ruota ma la potenza alla ruota riportata sull’albero condotto, quindi aumentata delle perdite negli ingranaggi di trasmissione. Quanto valutare le perdite negli ingranaggi è gestibile dall’utente da una mask interna al blocco m tale mask è raggiungibile cliccando sul blocco potenza alla ruota, nel caso sopra riportato si è deciso di considerare le perdite di trasmissione pari allo 0.09 in p.u., questo significa che per vincere le resistenze date dal ciclo dinamico sopra riportato all’albero condotto devo avere una potenza pari a 1.09 volte la potenza in oggetto. Certamente le perdite sono minori nella realtà.

figura 4.6 mask di gestione del blocco potenza alla ruota. I valori riportati in figura sono i valori introdotti nella simulazione che associati al ciclo ECE40 forniscono la curva sopra riportata per la P

Inizialmente riportiamo, per il motore a combustione interna, i dati dove le curve di cambiata tipiche del CVT non sono presenti e dove la macchina elettrica è presente solo nella fase di POTENZIAMENTO. In questo

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modo è possibile fare meglio alcune considerazioni, perché limitiamo la non linearità al solo layout di potenza del motore a combustione interna.

Se ad esempio i dati di ingresso sono:

- ciclo utilizzato ECE40;

- SOE iniziale 0.9 p.u.;

- SOE di riferimento 0.8 p.u.;

Il risultato che otteniamo è il seguente per la potenza erogata dal motore a combustione interna.

P

figura 4.7 Potenza erogata dal motore termico per effettuare il ciclo ECE40

In questo primo passo la macchina elettrica interviene solo per

garantire il moto del veicolo e la potenza erogata dalla macchina elettrica ha

il seguente andamento, i valori sono minori di zero secondo le convenzioni

introdotte nel precedente capitolo.

P

figura 4.8 Potenza della macchina elettrica all’albero condotto nel caso in cui la macchina elettrica è utilizzata solo per il potenziamento

52

Lo stato di energia delle batterie assume il seguente andamento ed è congruente con quanto sopra riportato.

SOE

figura 4.9 Andamento del SOE nel tempo con macchina elettrica utilizzata per il solo potenziamento.

Utilizzando la macchina elettrica anche per frenare il mezzo è possibile recuperare energia durante le fasi di frenata. Nell’ipotesi che tutta la frenata possa essere effettuata dalla macchina elettrica vediamo come cambia il comportamento dello scooter inserendo il blocco di RECUPERO che simula il recupero di energia in frenata.

P

figura 4.10 Andamento della potenza della macchina elettrica nel caso di utilizzo della macchina elettrica in potenziamento e per recuperare energia durante le fasi di frenatura. La potenza durante le fasi di frenatura assume valore positivo per le convenzioni utilizzate.

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Il SOE assume il seguente andamento

SOE

figura 4.10 Andamento del SOE in funzione del tempo con macchina elettrica utilizzata per il potenziamento e il recupero di energia in frenata.

Risulta evidente come il sistema in questo modo non sia controllato, o meglio sia solo parzialmente controllato. Il sistema di gestione si limita a garantire la messa in funzione della macchina elettrica durante le fasi di frenatura e durante i periodi in cui il motore a combustione interna non garantisce le prestazioni volute ed il pilota persiste nel richiedere potenza.

Adesso deve essere inserita oltre alla parte di potenziamento e di recupero la gestione del bilanciamento che deve garantire che il sistema mantenga il riferimento voluto. La parte in bilanciamento prevede le seguenti ipotesi, del tutto arbitrarie introdotte nella presente simulazione:

Istante per istante si hanno tre valori di potenza (la potenza necessaria

per garantire il ciclo, la massima potenza ottenibile dal motore a combustione

interna e la potenza voluta dal sistema di controllo P(e)) e due riferimenti di

SOE (il SOE di riferimento e il SOE misurato). Da questi cinque parametri,

in base ai loro valori, deve essere decisa la potenza della macchina elettrica e

alle richieste del pilota, identificate da velocità ed accelerazione. Una volta

stabilita la potenza della macchina elettrica si ha la potenza erogata dal

motore a combustione interna. Dal motore termico si suppone di poter

erogabile, circa 0 W e la massima potenza erogabile istante per istante dal motore a combustione interna stesso. Questa ipotesi ci permette un notevole margine di libertà ma dovrà essere valutato sul prototipo e da successive analisi quanto e come sia attuabile e valida.

L’utilizzo della macchina elettrica e del motore a combustione interna sono del tutto indipendenti l’uno dall’altro, l’unico legame tra i due è indicato dal regime di rotazione dell’albero condotto che è imposto dalla rotazione della ruota. Il regime di rotazione dell’albero condotto è uguale al regime di rotazione del rotore della macchina elettrica e lega in modo univoco i giri del motore a combustione interna al suo regime di rotazione.

Con le stesse condizioni al contorno e tutte e tre le tipologie di gestione previste la potenza del motore a combustione interna risulta essere la seguente

P

figura 4.11 Andamento rispetto al tempo della potenza erogata dal motore a combustione interna nel caso in cui la macchina elettrica è utilizzata per il potenziamento dello scooter, il recupero di energia in frenata e il bilanciamento del livello degli stati di energia.

56

mentre la potenza della macchina elettrica è

P

figura 4.12 andamento rispetto al tempo della potenza della macchina elettrica. Si noti come una

condizione di SOE misurato maggiore del riferimento porti il sistema a sottoutilizzare il motore a

combustione interna, impegnando la macchina elettrica al massimo

In questo caso il sistema è gestito in modo da scaricare il sistema di accumulo ed il SOE ha il seguente andamento

SOE

figura 4.13 Andamento del SOE rispetto al tempo. Si noti come un livello di SOE maggiore del riferimento scelto implichi un utilizzo prevalente della macchina elettrica con conseguente scarica del sistema di accumulo.

Come si può già vedere da queste prime prove il modello funziona nel modo voluto e controlla i flussi di potenza seguendo gli indirizzi del SOE.

Come risulta subito evidente da una prova fatta per verificare il modello a partire da Stati di Energia inferiori al riferimento, la gestione della macchina elettrica e del motore a combustione interna risulta la massima possibile.

Con il modello definito precedentemente e con tutti e tre i sistemi presenti (potenziamento, recupero e bilanciamento) si riportano i risultati con i seguenti dati in ingresso.

Dati in ingresso:

- ciclo utilizzato ECE40;

- SOE iniziale 0.4 p.u.;

- SOE di riferimento 0.8 p.u.;

58

La potenza erogata dal motore a combustione interna ha il seguente andamento.

P

figura 4.14 Andamento rispetto al tempo della potenza erogata dal motore a combustione interna nel caso in cui il livello del SOE sia inferiore al riferimento si noti come il motore a combustione interna sia utilizzato al massimo delle sue possibilità per ricaricare tramite la macchina elettrica il sistema di accumulo.

Come si vede dal grafico sopra riportato la potenza richiesta al motore

termico è sempre la massima disponibile. Questo per ricaricare il sistema di

accumulo durante le fasi a velocità costante. Questo tipo di funzionamento è

evidenziato nell’andamento della potenza della macchina elettrica rispetto al

tempo.

P

figura 4.15 Andamento della potenza della macchina elettrica durante il funzionamento con SOE inferiore al livello di riferimento. Si noti come la macchina elettrica assorba la potenza in eccesso rispetto a quella necessaria a garantire il moto.

60

il SOE ha il seguente andamento

SOE

figura 4.16 Andamento del SOE rispetto al tempo nella condizione di partenza di livello di SOE

inferiore al riferimento. Il sistema risponde alle esigenze del pilota e quando viene fatta una richiesta

di potenza il SOE diminuisce, visto che il sistema di accumulo alimenta la macchina elettrica. Allo

stesso tempo la centralina di controllo sfrutta al massimo le possibilità del sistema di bilanciamento.

Il CVT è schematizzato sulla base delle considerazioni fatte nel precedente capitolo e il legame tra giri della ruota e giri dell’ albero del motore a combustione interna è introdotto nella simulazione con le curve sotto riportate.

Curve di cambiata caratteristiche del CVT

figura 4.17 Curve di cambiata del CVT con accelerazione maggiore od uguale a zero (curva rossa) e con accelerazione minore di zero (curva blu).

La curva rossa è utilizzata per legare i giri del motore termico a quelli della ruota nelle fasi di accelerazione maggiore od uguale a zero, mentre quella blu è utilizzata per legare i giri del motore a combustione interna quando l’accelerazione è minore di zero, quindi nelle fasi di frenata. Questo comporta un andamento diverso nel calcolo della massima potenza ottenibile dal motore a combustione interna. Nella seguente figura si riportano i diversi andamenti implicati dall’utilizzo del modello per il CVT.

62

Massima potenza fornibile dal motore termico

figura 4.18 Confronto tra la massima potenza erogabile dal motore a combustione interna in funzione della velocità di rotazione dell’ albero motore durante il ciclo ECE40 con curve di cambiata che modellano il comportamento del CVT (in rosso) e con rapporto lineare precedentemente utilizzato (in blu).

La curva rossa rappresenta le potenze disponibili all’albero condotto con la modellazione del CVT mentre quella blu rappresenta la potenza erogata senza la schematizzazione del CVT.

Da questa modifica non dobbiamo aspettarci un cambiamento nel

risultato finale per il tipo di gestione previsto perché l’ipotesi fatta

precedentemente sulla possibilità di utilizzare tutti i valori di potenza

compresi tra il minimo e il valore massimo erogabile possibile implica che la

potenza richiesta al motore a combustione interna sia vincolata alle decisioni

della centralina di controllo. Senza dubbio aver aumentato la disponibilità di

potenza nelle fasi delle prime due accelerazioni richiederà un intervento

minore della macchina elettrica.

Nel primo caso con gli stessi parametri al contorno - ciclo utilizzato ECE40;

- SOE iniziale 0.9 p.u.;

- SOE di riferimento 0.8 p.u.;

si ottengono i seguenti risultati

P

figura 4.19 Andamento della potenza erogata dal motore a combustione interna durante il ciclo ECE40 con schematizzazione del CVT e livello del SOE superiore del riferimento.

Come era prevedibile, specialmente quando il motore a combustione interna è sottoutilizzato, cioè nei casi in cui il SOE del sistema di accumulo è superiore al livello del riferimento, non avviene nessun cambiamento per la potenza richiesta ed erogata dal motore a combustione interna. Conseguentemente anche la potenza della macchina elettrica non subirà mutamenti.

64

P

figura 4.20 Andamento della potenza richiesta alla macchina elettrica durante il funzionamento con

livello di SOE superiore al riferimento.

Chiaramente a fronte di una potenza della macchina elettrica esattamente uguale al caso precedente il SOE non subirà variazioni.

SOE

figura 4.21Andamento del SOE nel tempo con modellazione del CVT e macchina elettrica utilizzata per il potenziamento, il bilanciamento e il recupero di energia in frenata.

66

4.2 Risultati e commenti

I casi sopra riportati sono quelli che sono stati utilizzati per verificare il funzionamento del modello nei 200 secondi di durata del ciclo ECE40. Adesso si pone il problema di come simulare il funzionamento dello scooter durante varie fasi di utilizzo e come valutare di conseguenza il l’utilizzo del veicolo in base anche ai componenti utilizzati, vedi quali e quante batterie utilizzare.

La prima cosa da decidere è quanto lungo può essere il periodo di una simulazione. Il tempo della simulazione dovrà essere della durata realistica dell’utilizzo dello scooter. Lo scooter è un veicolo da trasporto leggero e maneggevole, ma specialmente nelle cilindrate più basse non è un veicolo con il quale fare lunghi viaggi. L’ utilizzo maggiormente diffuso per veicoli di questo tipo è quello che si ha nel traffico urbano, dove partenze e fermate si susseguono in rapida successione e raramente si hanno lunghi periodi a velocità costante. In questa particolare condizione di funzionamento è accettabile pensare che il ciclo ECE40 possa essere utilizzato nella nostra simulazione anche per periodi che superano i duecento secondi ripetendo il ciclo ECE40 tante volte quanto il periodo lo consente.

Risolto il problema di quale ciclo utilizzare rimane da pensare la durata della simulazione. Realisticamente un viaggio in scooter raramente dura più di mezz’ora, specialmente nel traffico urbano. Inoltre pensare che 1800 secondi siano sufficienti nel caso di usare sempre il ciclo ECE40 per percorrere circa 9 km avvalora questa ipotesi.

Tenuto conto delle considerazioni sopra fatte si è deciso di riferirci per vedere il comportamento dello scooter nella seguente simulazione, secondo vari utilizzi per vedere l’andamento del SOE, l’utilizzo del motore a combustione interna e della macchina elettrica.

Supponiamo di partire da una condizione al contorno seguente - ciclo utilizzato ECE40;

- SOE iniziale 0.9 p.u.;

- SOE di riferimento 0.8 p.u.;

di utilizzare una sola batteria, della capacità di 42 Ah, gestita alla tensione di 12 V. Il valore delle costanti del controllore sono 10 kW/p.u. e 60 s*p.u/kW.

Utilizzando per la simulazione un periodo di 1800 secondi, con 9 ripetizioni del ciclo ECE40 si ottengono i seguenti risultati.

L’andamento della potenza erogata dal motore termico nel tempo assume il seguente andamento che varia anche in funzione dell’utilizzo della macchina elettrica e quindi del SOE.

P

figura 4.22 Andamento della potenza richiesta al motore a combustione interna nell’utilizzo continuativo di mezz’ora. Il ciclo utilizzato è l’ECE 40 ripetuto per l’intero periodo. Si noti come la richiesta di potenza al motore termico aumenti nei primi 800 secondi per poi stabilizzarsi. Tale condizione di funzionamento è dovuta al valore del SOE nel tempo (vedi avanti)

68

P

figura 4.23 Andamento della potenza richiesta alla macchina elettrica in funzione del tempo nel periodo di simulazione di mezz’ora. Si noti il sovrautilizzo della macchina elettrica nel primo periodo, fino agli 800 secondi.Dopo tale periodo l’utilizzo della macchina elettrica rimane sempre lo stesso, seguendo la variazione del SOE intorno al riferimento.

Se si analizza meglio il comportamento nei vari periodi di

funzionamento si vede come nei primi duecento secondi l’andamento sia

quello che consente di utilizzare al meglio la macchina elettrica per bilanciare

il SOE e sfruttare i vantaggi della propulsione elettrica.

figura 4.24 Andamento della potenza richiesta al motore a combustione interna durante i primi 200 secondi di simulazione con SOE iniziale pari a 0.9 p.u., ciclo ECE 40 e SOE di riferimento pari a 0.8 p.u.

70

P

figura 4.25 Andamento della potenza richiesta alla macchina elettrica nei primi 200 secondi.

SOE

=0.9, SOE

=0.8 e ciclo utilizzato ECE40.

Nelle figure seguenti vediamo come già durante il secondo ciclo l’utilizzo del motore a combustione interna e della macchina elettrica comincino a variare perché ci stiamo avvicinando al livello di riferimento scelto per il SOE. Tenuto conto di questo comportamento si potrebbe pensare di scegliere dei valori di riferimento per il SOE variabili o tali da consentire sempre il massimo funzionamento della macchina elettrica e un minore apporto del motore a combustione interna.

P

figura 4.26 Andamento della potenza richiesta al motore a combustione interna tra 0 e 400 secondi.Si noti come varia la richiesta di potenza per effettuare lo stesso ciclo cinematico tra 0 e 200 secondi e tra 200 e 400 secondi. Questa differenza è dovuta al diverso utilizzo del motore imposto dalla centralina di controllo. SOE

=0.9, SOE

=0.8 e ciclo utilizzato ECE40.

72

P

figura 4.27 Andamento della potenza richiesta alla macchina elettrica tra 0 e 400 secondi.

SOE

=0.9, SOE

=0.8 e ciclo utilizzato ECE40. Si noti come a fronte di una diminuzione di

potenza richiesta dal sistema la potenza impiegata per frenare rimanga costante.

Come ulteriore analisi e conferma si riportano i dati tra 400 e 800 secondi.

P

figura 4.28 Andamento della potenza richiesta al motore a combustione interna nel periodo tra 400 e 800 secondi della simulazione di utilizzo continuato dello scooter per mezz’ora. SOE

=0.9, SOE

=0.8 e ciclo utilizzato ECE40. Si noti come nella parte intorno ai 750 secondi il motore a combustione interna comincia ad essere utilizzato al massimo per un periodo maggiore rispetto al suo utilizzo intorno ai 500 secondi a parità di utilizzo ma non di SOE.

74

P

figura 4.29 Andamento rispetto al tempo della potenza richiesta alla macchina elettrica tra i 400 e

800 secondi. SOE

=0.9, SOE

=0.8 e ciclo utilizzato ECE40. Si noti come varia l’utilizzo

della macchina elettrica tra i due cicli.

Si riporta il risultato tra 1600 e 1800 secondi come esempio degli ultimi cicli una volta raggiunto il livello del riferimento.

P

figura 4.30 Andamento della potenza richiesta al motore a combustione interna tra i 1600 e 1800 secondi. SOE

=0.9, SOE

=0.8 e ciclo utilizzato ECE40. Si noti come nell’ultima parte della simulazione di mezz’ora il sistema abbia raggiunto il livello di riferimento per garantire il potenziamento e il recupero di energia in frenata e si mantenga in tale intorno utilizzando sempre nello stesso modo il motore termico e la macchina elettrica.

76

P

figura 4.31 Andamento della potenza richiesta alla macchina elettrica tra i 1600 e 1800 secondi.

SOE

=0.9, SOE

=0.8 e ciclo utilizzato ECE40. Tale andamento può essere definito un

andamento “a regime” ed è possibile solo durante la simulazione per la particolare condizione del

ciclo imposto che rimane sempre lo stesso, sia per le accelerazioni che per le velocità, condizione

improbabile nella realtà.

Dai grafici sopra riportati discende per il SOE il seguente andamento.

Come già accennato la logica di gestione attuale con riferimento a 0.8 p.u.

non consente di scendere sotto 0.8 ma variando il riferimento è possibile decidere dove far lavorare il punto il sistema e ottenere un funzionamento ottimale.

SOE

figura 4.32 Andamento del SOE rispetto al tempo nella simulazione della durata di 1800 secondi.

SOE

=0.9, SOE

=0.8 e ciclo utilizzato ECE40. Si noti come dopo gli 800 secondi il sistema giunga “a regime” il sistema garantisce il recupero di energia in frenata e utilizza la carica in eccesso per il potenziamento e il bilanciamento sottoutilizzando il motore termico in alcune fasi.

La condizione si avere livelli di SOE molto diversi dal riferimento non è ottenibile con l’attuale sistema di gestione, quindi non è ottenibile la condizione di SOE a 0.9 p.u. a meno di effettuare una ricarica da rete, perché come si vede dai grafici sopra riportati si nota che il sistema mantiene il SOE sul livello di riferimento, utilizzando la macchina elettrica e il motore a combustione interna in modo da livellare il SOE sul riferimento.

In questo modo non si consentono sbalzi eccessivi al SOE, si potrebbe pensare di valutare altre logiche di gestione, ad esempio variare il riferimento durante il moto in modo da avere il comportamento voluto o gestire il motore e la macchina elettrica in modo da ottenere altri risultati, come ottenere un

78

utilizzo ottimale del motore a combustione interna o altro. Tenuto di conto che il una buona gestione del sistema di accumulo viene effettuata per garantire un buon funzionamento dello scooter ibrido e non per mantenere il SOE al livello voluto è chiaro che deve essere prevista una diversa gestione del riferimento. Oggetto del presente lavoro non era un’ottimizzazione di questo tipo, ma gestire la macchina elettrica in modo congeniale per il sistema di accumulo.

A titolo di esempio, e tenendo conto dei ragionamenti sopra fatti, si riportano i risultati per il caso a SOE iniziale pari a 0.4 p.u..

Come si vede subito da tali dati non viene raggiunto nella simulazione il valore del riferimento ed il tipo di gestione non cambia mai durante il periodo della simulazione perché ci manteniamo molto lontani dal riferimento e la centralina di controllo si comporta sempre nello stesso modo. Questo motivo ci induce a non soffermarci molto su questo caso.

SOE

figura 4.33 Andamento del SOE rispetto al tempo nel caso in cui SOE

=0.4, SOE

=0.8 e

ciclo utilizzato ECE 40. Si noti come l’andamento del SOE riportato in figura si ripeta sempre uguale

ogni 200 secondi. Questo identifica un andamento della potenza impegnata dalla macchina elettrica, e

quindi della potenza erogata dal motore a combustione interna, sempre uguale Anche stavolta questo

dipende dal fatto che il ciclo imposto sia sempre quello e le condizioni siano sempre tali da mantenere

il sistema di controllo alle stesse richieste.

P

figura 4.34 Andamento della potenza richiesta al motore a combustione interna durante la simulazione di 1800 secondi, SOE

=0.4, SOE

=0.8 e ciclo utilizzato ECE 40. Come si vede il motore termico viene utilizzato sempre nello stesso modo per tutta la durata della simulazione.

80

4.35 a 4.35b

figura 4.35 a Andamento della potenza richiesta al motore a combustione interna tra 0 e 200 secondi.

SOE

=0.4, SOE

=0.8 e ciclo utilizzato ECE 40.

figura 4.35 b Andamento della potenza richiesta al motore a combustione interna tra 1600 e 1800 secondi. SOE

=0.4, SOE

=0.8 e ciclo utilizzato ECE 40.

Si noti come in entrambi i casi il comportamento della centralina di controllo non cambi ma utilizzi il

motore a combustione interna al massimo in modo da ricaricare le batterie.

P

figura 4.36 Andamento della potenza richiesta alla macchina elettrica durante il periodo della simulazione con SOE

=0.4, SOE

=0.8 e ciclo utilizzato ECE 40. Si noti come l’utilizzo della macchina elettrica è sempre dello stesso tipo. La macchina elettrica interviene nelle fasi di potenziamento sempre nello stesso modo e poi funziona per gran parte del tempo in bilanciamento come generatore per ricaricare le batterie. Un funzionamento di questo tipo non dovrebbe essere troppo economico.

82

4.37 a

figura 4.37 a Andamento della potenza richiesta alla macchina elettrica tra 0 e 200 secondi nella simulazione da 1800 secondi, SOE

=0.4, SOE

=0.8 e ciclo utilizzato ECE 40.

figura 4.37 b Andamento della potenza richiesta alla macchina elettrica tra 1600 e 1800 secondi nella simulazione da 1800 secondi, SOE

=0.4, SOE

=0.8 e ciclo utilizzato ECE 40.

Si noti come il comportamento del sistema di controllo non cambi durante il periodo della simulazione

questo per i motivi su esposti.

Risulta più interessante il caso in cui il SOE iniziale sia vicino al riferimento, ad esempio 0.795 p.u., per vedere come varia la gestione in questo caso.

SOE

figura 4.38 Andamento del livello del SOE rispetto al tempo con SOE

=0.795 p.u. , SOE

=0.8 p.u. e ciclo utilizzato ECE40. Si noti come il sistema abbia un overshoot ma anche come si mantenga sempre nell’intorno di un SOE pari a 0.8 p.u.

84

L’utilizzo del motore a combustione interna anche in questo caso sarà dipendente dal livello del SOE e conseguente all’utilizzo della macchina elettrica. Si noti come varia la richiesta di potenza nelle fasi a velocità costante.

P

figura 4.39 Andamento della potenza richiesta al motore a combustione interna durante i 1800 secondi della simulazione con SOE

=0.795 p.u. , SOE

=0.8 p.u. e ciclo utilizzato ECE40.

Si noti la variazione di potenza richiesta dei valori tra i 500 W e i 1000 W tra ogni duecento secondi.

A fronte dello stesso ciclo cinematico e delle stesse condizioni al contorno le variazioni del livello del

SOE sopra riportate implicano diversi richieste.

P

figura 4.40 Andamento della potenza richiesta nei primi 200 secondi al motore a combustione interna nel caso di SOE

=0.795 p.u. , SOE

=0.8 p.u. e ciclo utilizzato ECE40.

86

P

figura 4.41 Andamento della potenza richiesta al motore a combustione interna tra i 400 e 1000 secondi nel caso di SOE

=0.795 p.u. , SOE

=0.8 p.u. e ciclo utilizzato ECE40. Si noti come varia la richiesta di potenza al motore a combustione interna nei tratti successivi ai picchi di potenza.

I picchi di potenza corrispondono alle fasi di accelerazione.

P

figura 4.42 Andamento della potenza richiesta al motore a combustione interna tra i 1600 e 1800 secondi nel caso di SOE

=0.795 p.u. , SOE

=0.8 p.u. e ciclo utilizzato ECE40. Si noti come varia la richiesta di potenza al motore a combustione interna nell’ultima parte tra i 1760 e i 1780 presenti un andamento che difficilmente un motore a combustione riuscirà a soddisfare ed inoltre un andamento del genere risulta sfavorevole per questa tipologia di motori. Il modello deve essere migliorato per togliere questo tipo di funzionamento con due possibilità utilizzare nel modo più costante possibile il motore a combustione interna e gestire meglio la macchina elettrica.

88

P

figura 4.43 Andamento della potenza richiesta alla macchina elettrica nel caso di SOE

=0.795

p.u. , SOE

=0.8 p.u. e ciclo utilizzato ECE40. Si noti come l’utilizzo della macchina elettrica

per la trazione sia limitata alle sole fasi di potenziamento nei primi 200 secondi ma già tra i 200 e

400 secondi la macchina elettrica inizia ad utilizzare l’energia in eccesso rispetto al riferimento per

la trazione anche durante le fasi in cui il motore a combustione interna ha ancora margini di potenza.

P

figura 4.44 Andamento della potenza richiesta alla macchina elettrica nei primi 200 secondi nel caso di SOE

=0.795 p.u. , SOE

=0.8 p.u. e ciclo utilizzato ECE40.

90

P

figura 4.45 Andamento della potenza richiesta alla macchina elettrica negli ultimi 400 secondi nel caso di SOE

=0.795 p.u. , SOE

=0.8 p.u. e ciclo utilizzato ECE40.

Si noti l’andamento della potenza tra i 1760 e 1780 e si tengano presenti le considerazioni fatte per la

figura 4.42. La stessa potenza potrebbe essere “distribuita” garantendo un migliore funzionamento

del motore termico.

Potrebbe essere interessante vedere i motivi dell’andamento del SOE che si ha nei primi 600 secondi. Il motivo di tale “overshoot” è dovuto al gran numero di frenate in rapporto all’ energia impiegata per il potenziamento durante le accelerazioni. D’altra parte uno degli scopi del controllo effettuato è proprio quello di mantenere un buon margine per il recupero in modo da rendere l’utilizzo dello scooter più economico. Il passo successivo a questo lavoro è l’ottimizzazione del sistema di controllo per sfruttare meglio le caratteristiche e minimizzare i difetti del motore a combustione interna.

Guardiamo cosa succede se continuiamo la simulazione partendo da poco meno del punto di arrivo precedentemente toccato dal SOE si ottiene

SOE

figura 4.46 Andamento del SOE con SOE

=0.803, SOE

=0.8 e ciclo utilizzato ECE40.

Gli andamenti del motore termico e della macchina elettrica ricalcano grosso modo quelli già visti e riteniamo superfluo riportarli, l’andamento del SOE conferma il maggior apporto della energia recuperata rispetto a quella spesa. Dopo il sistema si bilancia utilizzando in modo appropriato le due motorizzazioni.

92

4.2.1 Simulazioni con gestione in puro elettrico

È interessante effettuare delle simulazioni con gestioni differenti rispetto all’ ibrido parallelo, utilizzata fino ad adesso. In questo modo è possibile valutare le caratteristiche e le potenzialità del veicolo nel percorrere le zone a traffico limitato con lo scooter gestito in puro elettrico oppure è possibile verificare se e come cambiano i consumi tra scooter ibrido parallelo e scooter tradizionale.

Se ci riferiamo al caso di gestione in puro elettrico è chiaro il veicolo

non può contare sull’apporto di potenza del motore termico che non viene

alimentato, quindi in questo tipo di configurazione non sarà possibile gestire

il veicolo come precedentemente descritto, in particolare mancherà la parte di

bilanciamento del SOE, in quanto la macchina elettrica dovrà garantire il

moto del veicolo contando solo sulle frenate a recupero per poter

immagazzinare energia nel sistema di accumulo. Risulta subito evidente che

per questa tipologia di simulazioni la prima variazione da introdurre riguarda

il ciclo cinematico. Come si vede dai grafici della potenza alla ruota

corrispondenti al ciclo ECE 40, la macchina elettrica, che al massimo può

fornire 1 kW come potenza massima, non è in grado di soddisfare le

prestazioni richieste dal ciclo stesso. Tenuto conto di tale limite fisico si è

cercato di costruire un ciclo cinematico che oltre a soddisfare alcune

elementari richieste prestazionali, quali accelerazioni e velocità ammissibili

che ci si possono aspettare da uno scooter elettrico, il risultato è il ciclo sotto

riportato e sarà chiamato per semplicità ciclo elettrico e sarà utilizzato nelle

simulazioni in puro elettrico.

Velocità ciclo elettrico [m/s]

figura 4.47 profilo di velocità (ciclo elettrico) in m/s utilizzato per il funzionamento in puro elettrico accelerazione ciclo elettrico [m/s

]

figura 4.48 profilo di accelerazione (ciclo elettrico) in m/s

utilizzato per il funzionamento in puro elettrico

94

velocità ciclo elettrico [km/h]

figura 4.49 profilo di velocità (ciclo elettrico) riportato in km/h utilizzato per le simulazioni in puro elettrico

Mentre la modifica del ciclo cinematico è stata introdotta a livello del blocco m che modella lo scooter e le richieste del pilota, la seconda modifica, che serve per selezionare la modalità di gestione è introdotta ad un livello più esterno, per la precisione nel blocco G, ed è selezionabile dalla mask di gestione leggermente modificata, come si vede dalla figura sotto riportata.

(per ulteriori approfondimenti vedi appendice B).

figura 4.50 maschera di gestione del blocco G con selezione del tipo di gestione dello scooter ibrido.

Una volta introdotto il ciclo sopra riportato e selezionata dalla mask la gestione in puro elettrico selezionando il valore 1, per una simulazione di 200 secondi con un SOE iniziale pari a 0,9 p.u. i risultati ottenuti sono i seguenti.

Si noti che in questa tipologia di simulazioni il livello del SOE assume importanza solo in prossimità dei valori estremi, ed in particolare per 0,35 p.u. quando per la scelta effettuata la macchina elettrica non viene più alimentata per la salvaguardia del sistema di accumulo.

La potenza alla ruota che si ottiene dal ciclo sopra riportato non supera mai i 1000 W e consente alla macchina elettrica di soddisfare in linea teorica il ciclo.

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P

figura 4.51 potenza alla ruota calcolata per il ciclo elettrico.

La potenza richiesta alla macchina elettrica dipenderà dalla formula già vista dove P

= P

+ P

dove P

= 0 e quindi P

= - P

.

Pel

figura 4.52 potenza richiesta alla macchina elettrica dalla centralina di controllo per effettuare il ciclo elettrico.

Solo come controllo sui risultati si riporta la potenza richiesta al motore termico, che è uguale a zero per tutto il periodo della simulazione.

figura 4.53 potenza richiesta dalla centralina di controllo al motore termico durante il funzionamento in puro elettrico.

98

Il SOE avrà un andamento indipendente dal controllo, è diminuirà durante le fasi di trazione per aumentare, leggermente, durante le fasi di frenatura. Si noti come minori accelerazioni e velocità implichino anche minori decelerazioni e quindi minore recupero, nonostante il tipo di recupero previsto continui ad essere idealmente la potenza recuperata è pari a tutta la potenza necessaria per frenare il veicolo.

SOE

figura 4.52 andamento del SOE in p.u.

Per questo tipo di simulazioni e per questo tipo di gestione non è interessante tanto valutare il comportamento sulla mezz’ora o altro, quanto valutare l’autonomia del mezzo in puro elettrico. Per fare questo si effettua una simulazione a partire da un SOE iniziale pari a 0,95 p.u. e si utilizza sempre il ciclo elettrico per un tempo molto lungo, tale da garantire la completa scarica delle batterie, si tenga conto che per completa scarica si deve intendere il livello 0,3 p.u.. In questo modo è possibile vedere la distanza percorribile in puro elettrico. Tenuto conto che in 200 secondi il SOE subisce una diminuzione di circa 0,03 p.u. per ottenere una diminuzione di 0,65 p.u. sarebbero necessari più di 4000 secondi, quindi sarà fatta una simulazione di 6000 secondi. Anche se l’utilizzo per 5000 secondi continuativi dello scooter in puro elettrico è improbabile, si tenga conto che lo scopo di tale simulazione è valutare l’autonomia del veicolo, quindi risulta accettabile anche una simulazione di questo tipo. SI ritiene poco utile riportare i grafici della potenza alla ruota e della potenza della macchina elettrica per tutto il periodo della simulazione, ma riportare solo quelli dell’ultimo periodo dove il SOE raggiunge il valore minimo.

La simulazione fornisce i seguenti risultati

SOE

figura 4.53 Andamento del SOE durante la simulazione utilizzata per vedere l’autonomia in puro elettrico

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SOE – fase finale

figura 4.54 Andamento del SOE nella fase finale di scarica.

P

- fase finale

figura 4.55 Andamento della potenza richiesta alla macchina elettrica per soddisfare il ciclo elettrico si noti

come intorno ai 5130 secondi la potenza vada repentinamente a zero per effetto del raggiungimento delle 0,3

p.u. del SOE.

P

– fase finale

figura 4.56 Potenza alla ruota richiesta per soddisfare il ciclo elettrico nella fase finale. Si noti come il raggiunto limite per il SOE non consenta più l’alimentazione della macchina elettrica e la istantanea fermata del veicolo, con conseguente potenza nulla alla ruota. Anche questa tipologia di funzionamento è del tutto ideale.

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Spazio percorso

figura 4.57 Spazio percorso in puro elettrico con SOE da 0.95 a 0.3.

Spazio percorso – fase finale

figura 4.58 Spazio percorso nella fase finale. Il veicolo riesce a percorrere circa 14,55 km in circa 5130

secondi utilizzando tutta l’energia disponibile immagazzinata nel sistema di accumulo.

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Quindi il sistema ha circa 5100 secondi di autonomia il sistema di accumulo

viene totalmente scaricato; guardando l’andamento della potenza della macchina

elettrica nel periodo finale si nota che il veicolo si ferma durante una fase di

trazione, che corrisponde ad un periodo di scarica del sistema di accumulo, come

era lecito e corretto attendersi. Si noti come il sistema di controllo non intervenga

mai e si ripeta sempre il tipo di scarica riportato in figura 4.52 con la sola

variazione, molto piccola, dovuta al rendimento del sistema di accumulo stesso che

a seconda del punto di lavoro, scarica e ricarica con rendimento diverso.