Littérature scientifique sur le sujet « Simulazione veicolo »

Nel panorama motoristico ed automobilistico moderno lo sviluppo di motori a combustione interna e veicoli è fortemente influenzato da diverse esigenze che spesso sono in contrasto le une con le altre. Infatti gli obiettivi di economicità e riduzione dei costi riguardanti la produzione e la commercializzazione dei prodotti sono in contrasto con gli sforzi che devono essere operati dalle case produttrici per soddisfare le sempre più stringenti normative riguardanti le emissioni inquinanti ed i consumi di carburante dei veicoli. Fra le numerose soluzioni presenti i veicoli ibridi rappresentano una alternativa che allo stato attuale è già presente sul mercato in varie forme, a seconda della tipologie di energie accoppiate. In letteratura è possibile trovare numerosi studi che trattano l’ottimizzazione dei componenti o delle strategie di controllo di queste tipologie di veicoli: in moltissimi casi l’obiettivo è quello di minimizzare consumi ed emissioni inquinanti. Normalmente non viene posta particolare attenzione agli effetti che l’aggiunta delle macchine elettriche e dei componenti necessari per il funzionamento delle stesse hanno sulla dinamica del veicolo. Il presente lavoro di tesi è incentrato su questi aspetti: si è considerata la tipologia di veicoli ibridi termici-elettrici di tipo parallelo andando ad analizzare come cambiasse il comportamento dinamico del veicolo in funzione del tipo di installazione considerato per la parte elettrica del powertrain. In primo luogo è stato quindi necessario costruire ed implementare un modello dinamico di veicolo che permettesse di applicare coppie alle quattro ruote in maniera indipendente per considerare diverse tipologie di powertrain. In seguito si sono analizzate le differenze di comportamento dinamico fra il veicolo considerato e l’equivalente versione ibrida e i possibili utilizzi delle macchine elettriche per correggere eventuali deterioramenti o cambiamenti indesiderati nelle prestazioni del veicolo.
One of the challenges of the modern automotive industry is to develop engines and vehicles with an always more stringent legislation about pollutant emissions. Hybrid vehicles are a valid alternative to these limitations and could represent a good way to reduce fuel consumption and pollutant emissions. In literature it is possible to find several studies that deal with the optimization of the components or of the control strategies of this kind of vehicles, but less importance is given to the effects on vehicle dynamics that could be caused by the addition of the components of the additional system. The idea behind this work is to add on a traditional vehicle an electric kit, composed by 2 electric motors that can be added in correspondence of the non-driven wheels, a battery and the necessary power electronics to control the 2 motors obtaining an hybrid vehicle: the attention will be focused on vehicle dynamics and in particular on the changes in vehicle dynamics due to the mass increase and to the variation of the center of gravity position. Moreover it will be investigated how to use the electric motors to correct undesired effects in vehicle behavior. To achieve the preset objectives, a 14 degrees freedom vehicle model, which could allow to apply a different torque to each wheel, has been developed in Matlab/Simulink environment and validated. The so-built simulator has then been used to simulate 2 configurations of the same vehicle (with different mass and center of gravity position) to compare their performances and to verify which effects on vehicle dynamics could be obtained applying driving and braking torques through the electric motors.

Nel panorama motoristico ed automobilistico moderno lo sviluppo di motori a combustione interna e veicoli è fortemente influenzato da diverse esigenze che spesso sono in contrasto le une con le altre. Infatti gli obiettivi di economicità e riduzione dei costi riguardanti la produzione e la commercializzazione dei prodotti sono in contrasto con gli sforzi che devono essere operati dalle case produttrici per soddisfare le sempre più stringenti normative riguardanti le emissioni inquinanti ed i consumi di carburante dei veicoli. Fra le numerose soluzioni presenti i veicoli ibridi rappresentano una alternativa che allo stato attuale è già presente sul mercato in varie forme, a seconda della tipologie di energie accoppiate. In letteratura è possibile trovare numerosi studi che trattano l’ottimizzazione dei componenti o delle strategie di controllo di queste tipologie di veicoli: in moltissimi casi l’obiettivo è quello di minimizzare consumi ed emissioni inquinanti. Normalmente non viene posta particolare attenzione agli effetti che l’aggiunta delle macchine elettriche e dei componenti necessari per il funzionamento delle stesse hanno sulla dinamica del veicolo. Il presente lavoro di tesi è incentrato su questi aspetti: si è considerata la tipologia di veicoli ibridi termici-elettrici di tipo parallelo andando ad analizzare come cambiasse il comportamento dinamico del veicolo in funzione del tipo di installazione considerato per la parte elettrica del powertrain. In primo luogo è stato quindi necessario costruire ed implementare un modello dinamico di veicolo che permettesse di applicare coppie alle quattro ruote in maniera indipendente per considerare diverse tipologie di powertrain. In seguito si sono analizzate le differenze di comportamento dinamico fra il veicolo considerato e l’equivalente versione ibrida e i possibili utilizzi delle macchine elettriche per correggere eventuali deterioramenti o cambiamenti indesiderati nelle prestazioni del veicolo.
One of the challenges of the modern automotive industry is to develop engines and vehicles with an always more stringent legislation about pollutant emissions. Hybrid vehicles are a valid alternative to these limitations and could represent a good way to reduce fuel consumption and pollutant emissions. In literature it is possible to find several studies that deal with the optimization of the components or of the control strategies of this kind of vehicles, but less importance is given to the effects on vehicle dynamics that could be caused by the addition of the components of the additional system. The idea behind this work is to add on a traditional vehicle an electric kit, composed by 2 electric motors that can be added in correspondence of the non-driven wheels, a battery and the necessary power electronics to control the 2 motors obtaining an hybrid vehicle: the attention will be focused on vehicle dynamics and in particular on the changes in vehicle dynamics due to the mass increase and to the variation of the center of gravity position. Moreover it will be investigated how to use the electric motors to correct undesired effects in vehicle behavior. To achieve the preset objectives, a 14 degrees freedom vehicle model, which could allow to apply a different torque to each wheel, has been developed in Matlab/Simulink environment and validated. The so-built simulator has then been used to simulate 2 configurations of the same vehicle (with different mass and center of gravity position) to compare their performances and to verify which effects on vehicle dynamics could be obtained applying driving and braking torques through the electric motors.

Lo scopo della tesi è progettare un cerchio per un veicolo solare ultraleggero omologabile e quindi in linea con i parametri indicati dalla normativa ECE-R124e, altamente rigido e di peso pari o inferiore ai 3 kg, che possa essere utilizzato sulla attuale auto solare dell’Università di Bologna, “Emilia4”, e su successive versioni della vettura. Il cerchio è stato testato con il metodo agli elementi finiti e, attraverso un iter di miglioramento, partendo dalla geometria iniziale, si è arrivati ad ottenere un cerchio che rispecchiasse gli obbiettivi preposti. Si è partiti da un tipo di razza scavata, con design a 15 razze, che è stato migliorato per step fino a raggiungere l’obbiettivo prefissato. Si è poi passati allo studio di un cerchio a razze piene aventi lo stesso volume del cerchio a razze scavate; questo studio è stato poi ampliato in funzione del numero di razze, riuscendo ad ottenere una seconda geometria altamente performante. Da queste due geometrie si è ricavato un cerchio ibrido che portasse i vantaggi di entrambi.

In un contesto in cui l'evoluzione tecnologica ha portato alla luce un insieme di possibilità all'avanguardia per la realizzazione di reti wireless sfruttando l'esponenziale diffusione di terminali senza fili, è cosa del tutto naturale che questo vento di cambiamento e progresso arrivasse a influenzare anche lo sviluppo del trasporto privato urbano. Il fenomeno di eccessiva penetrazione del mercato dell'automobile all'interno del tessuto sociale ha di fatto prodotto un risultato contrario alle aspettative: il numero di mezzi in circolazione sulle strade urbane supera di gran lunga quella che è la loro capacità. Il traffico è un fenomeno parte integrante della vita urbana, un fenomeno che diventa in molti casi una piaga sociale sottraendo tempo alle relazioni sociali e al quieto vivere dei soggetti coinvolti. Lo scopo dell'elaborato è quello di capire come poter sfruttare lo sviluppo di sistemi di trasporto intelligente per porre rimedio a questi problemi e aumentare l'efficienza nella gestione della viabilità. Lo studio sarà effettuato attraverso la simulazione, sfruttando tecnologie che andranno a modellare il comportamento dei veicoli autonomi e delle entità coordinatrici alle intersezioni stradali. Sarà quindi effettuato un confronto tra la gestione effettuata attraverso i classici semafori e quella resa possibile dall'implementazione di algoritmi per veicoli connessi.

Questo lavoro di tesi tratta la modellistica matematica, il controllo e la simulazione di Veicoli Ibridi Elettrici. Innanzitutto, la classificazione e la descrizione delle principali architetture per Veicoli Ibridi Elettrici vengono effettuate, mettendo in evidenza vantaggi e svantaggi delle diverse architetture. La modellistica viene affrontata sfruttando le propriet`a della tecnica Power-Oriented Graphs. Fra tutti gli elementi fisici coinvolti, particolare attenzione viene data alla modellistica di planetary gear sets, convertitori multilivello flying-capacitor e motori sincroni a magneti permanenti. Per quanto riguarda le planetary gear sets, una procedura sistematica `e stata sviluppata per modellare qualunque planetary gear set utilizzando un approccio unificato. La procedura proposta consente di ottenere due modelli del sistema: un modello intero elastico, che fornisce una modellistica pi`u dettagliata della planetary gear set in esame prendendo in considerazione i punti di contatto elastici fra le ruote dentate, ed un modello ridotto che consente di utilizzare solutori a passo fisso con un passo di simulazione pi`u lungo, quest’ultimo pi`u adatto per l’esecuzione in tempo reale. Per quanto riguarda i convertitori multilivello flying-capacitor, un modello compatto viene proposto. Dopodich`e, una valutazione della robustezza del convertitore quando questo `e controllato utilizzando un controllo classico a minima distanza viene effettuata, ed una nuova tecnica di controllo che consente di mantenere le tensioni ai capi dei condensatori ai livelli desiderati viene proposta. Per quanto riguarda i motori sincroni a magneti permanenti, un modello power-oriented viene proposto, insieme ad un’analisi di efficienza grazie alla quale una stima dei parametri del modello pu`o essere effettuata partendo dalla mappa di efficienza del motore. Alcune architetture di Veicoli Ibridi Elettrici nei settori agricolo e delle costruzioni vengono poi proposte come casi studio, ed una soluzione per l’energy management problem viene studiata per ciascuna di esse. Infine, i risultati di simulazione per ciascuna architettura vengono riportati e commentati nel dettaglio.
This work of thesis deals with the mathematical modeling, control and simulation of Hybrid Electric Vehicles. First, the classification and description of the main architectures for Hybrid Electric Vehicles are carried out, highlighting pros and cons of the different architectures. The modeling is performed exploiting the properties of the Power-Oriented Graphs modeling technique. Among all the involved physical elements, particular attention is given to the modeling of planetary gear sets, multilevel flying-capacitor converters and permanent magnet synchronous motors. As far as planetary gear sets are concerned, a systematic procedure has been developed for the systematic modeling of any planetary gear set using a unified approach. The proposed procedure allows to obtain two models of the system: a full elastic model, representing a more detailed modeling of the considered planetary gear set accounting for the gears elastic contact points, and a reduced-order model allowing to use fixed-step solvers with a larger simulation step size, which is more suitable for real-time execution. As for multilevel flying-capacitor converters, a compact model is proposed. Next, a robustness assessment when the converter is controlled using a classical minimum distance control is performed, and a new variable-step control strategy allowing to guarantee capacitors voltages balancing is proposed. For what concerns permanent magnet synchronous motors, a poweroriented model is proposed, together with its efficiency analysis based on which model parameters estimation can be performed starting from the motor efficiency map. Some Hybrid Electric Vehicle architectures in the agricultural and construction fields are then proposed as case studies, and a solution for the energy management problem is studied for all of them. Finally, simulation results for each Hybrid Electric Vehicle architecture are reported and commented in detail.

La presente tesi riguarda la realizzazione di un modello matematico descrivente il comportamento di un carrello d’atterraggio tubolare, comunemente denominato “skid landing gear”, e la sua interazione con il suolo. Inizialmente, tramite ricerca bibliografica e studio approfondito della materia in esame, viene realizzato un modello matematico per poter descrivere l’interazione tra il terreno e il carrello d’atterraggio tubolare di un elicottero. Successivamente si implementa il modello realizzato nell’ambiente di calcolo Matlab e si effettua una simulazione dinamica utilizzando Simulink, così da valutare la veridicità del modello. La simulazione dinamica consiste nell’effettuare un drop-test, ossia lasciare cadere il velivolo da una quota prestabilita, conferendogli un certo angolo di beccheggio. In una seconda fase, il modello realizzato viene adeguato ad un multi-rotore (quadri-rotore nel caso descritto in seguito) e si esegue una simulazione dinamica, quest’ultima consistente nel simulare la navigazione del multi-rotore utilizzando una serie di anelli di controllo. Un anello interno riguardante il controllo dell’assetto del velivolo, un secondo anello riguardante il controllo della velocità ed un anello esterno per quanto riguarda il controllo di posizione. Viene infine utilizzato un anello indipendente per quanto riguarda il controllo di quota e relativa velocità verticale.

Le batterie ricaricabili sono una delle tecnologie chiave nella società moderna. Il loro mercato ha recentemente visto un rapido sviluppo grazie all’interesse nei veicoli ibridi plug-in e nei veicoli elettrici. Le batterie più utilizzate per questo tipo di applicazione sono quelle agli ioni di litio che presentano alcuni vantaggi, fra cui: elevata densità di energia e di potenza, basso tasso di auto-scarica e lunga vita. Esse, però, hanno anche alcuni svantaggi, uno su tutti la sensibilità alle variazioni di temperatura. Un secondo punto debole è il degrado irreversibile della batteria in caso di “overcharge” o “overdischarge”. È pertanto necessario che il sistema di gestione della batteria (battery management system, o BMS) monitori temperatura, tensione e corrente e stimi in tempo reale lo stato della batteria. Non è tuttavia facile determinare direttamente gli stati della batteria, come lo stato di carica (state of charge, SoC), a causa del complicato processo elettrochimico che avviene al suo interno. Per fare questo, quindi, vengono sviluppati metodi, come quello dell'Extended Kalman Filter, basati su un modello di batteria. Molti modelli concentrati con un numero relativamente piccolo di parametri sono stati proposti. I più comunemente utilizzati si distinguono in modelli elettrochimici e modelli di circuiti equivalenti. La già citata dipendenza delle prestazioni di una cella agli ioni di litio dalla temperatura è un problema di fondamentale importanza che va preso in considerazione nel progetto di un efficiente e completo sistema di controllo di un pacco batterie per applicazioni automotive. A questo scopo, si deve determinare la modalità di scambio di calore della cella con il mondo esterno e per fare ciò è necessario avere un buon modello termico della stessa, il quale consente di ottenere come risultato della simulazione la temperatura della cella, passando come ingressi al sistema solamente i differenti profili di carica e scarica e e la Tamb.

Studio e simulazione di un inverter di tipo Z in grado di innalzare il valore della tensione fornita dalla sorgente fino alla tensione richiesta al carico. L'inverter Z-source può essere utilizzato convenientemente nell'azionamento di un veicolo elettrico, in particolare ad idrogeno.

Negli ultimi anni si è assistito ad un aumento della complessità dei motori a combustione interna a causa dell’incremento di severità sulle leggi antiinquinamento. Di conseguenza, anche le centraline controllo motore e i relativi software implementati sono stati soggetti ad un forte sviluppo. Si sono diffusi sistemi innovativi per la gestione del software di controllo del motore, chiamati -SIL- e -HIL. Il cuore di questi sistemi sono modelli di simulazione numerica del veicolo e dei relativi componenti che permettono di testare le funzioni della centralina simulando il comportamento del sistema controllato. Il lavoro svolto si basa sulla creazione di modelli di simulazione per applicazione su sistemi HIL, con particolare attenzione al mondo racing e motorsport. La particolarità di questi sistemi è la necessità di essere risolti in tempo reale: a questo scopo si è deciso di utilizzare un approccio di tipo zero-dimensionale a parametri concentrati. Il punto di partenza è un modello di autoveicolo 4WD, sviluppato durante la tesi magistrale, che è stato completato simulando il layout di scarico. Dapprima si è convertito il precedente modello di veicolo in uno in grado di simulare il comportamento di un motociclo, per poi proseguire con il processo di modellazione su componenti specifici. Come primo componente si è considerata la modellazione di un materiale elastomerico, ampiamente utilizzato in ambito automotive, con particolare attenzione allo sviluppo di una procedura automatica per la calibrazione del modello. Sempre in ambito motorsport ci si è concentrati, successivamente, sulla creazione di un modello di detonazione da applicare in sistemi HIL nei quali è installata una ECU con controllo della combustione in closed-loop. Infine, si è simulato il circuito di raffreddamento di un motociclo in modo da completare il modello del veicolo sopra sviluppato e testare tutte le strategie ECU legate alla termica del motore.
In recent years, an increase in the complexity of internal combustion engines has been observed due to stricter limits on pollutant gas emissions. Engine control units also became more complex in order to control new ICEs features and hardware, therefore ECU control strategies development and testing became crucial for all automotive manufacturers. In the automotive world innovative systems to support ECU software development have been introduced: software-in-the-loop -SIL- and hardware-in-the-loop -HIL- systems. Both are based on simulation models of vehicles and their components, to test the ECU simulating the actual vehicle behavior. Many simple models are available on literature: starting from the literature it is possible to develop new ones for HIL systems. The work illustrates models related to racing vehicles, focused on motorsport applications, to create a library usable in different HIL applications. All these models must be compatible with real-time computing, so a zero-dimensional approach with mean value parameters has been introduced. At first, a complete 4WD vehicle model has been completed, developing the work started during the master degree thesis, introducing a subsystem for the simulation of the exhaust components. The developed vehicle model has been adapted to a motorcycle and some specific systems have been considered in the simulation. A model for the simulation of elastomeric elements has been introduced with the development of an automatic parameters calibration procedure. Then, a knock model, dedicated to motorsport applications has been created to validate ECU closed-loop combustion strategies. Finally, the work has been focused on a simulation of the engine water cooling system, to test thermal management strategies related to thermal management of the ICE. All the presented models have been calibrated based on experimental data, while validation process has been performed on experimental test and evaluated in term of correlation between predicted results and experimental measures.