Smart Mobility World 13-14 Novembre 2014 Prof. Oliviero Giannini Ing. Andrea Moschini Prof. Gino Bella

Da cosa nasce il progetto HiQuad? 100.000 morti all’anno in Europa per cause direttamente imputabili all’inquinamento dei centri urbani. Inquinamento urbano dovuto (in Italia) per il 70% al traffico. Percorso medio giornaliero in città inferiore ai 20 Km (casa-ufficio/scuola). Centri urbani solitamente congestionati ed estrema difficoltà di parcheggio. Circa 1800 decessi (Italia 2011), di cui circa la metà pedoni e ciclisti, per incidenti in città essenzialmente dovuti a velocità elevata dei veicoli. Inefficienze energetica ed ambientale (consumi, inquinamento, costi) dovute all’utilizzo di veicoli grossi, pesanti e potenti.

Quali sarebbero le risposte al problema? 100.000 morti all’anno in Europa per cause direttamente imputabili all’inquinamento dei centri urbani: Eliminare i motori a combustione interna dalla mobilità nei centri abitati Inquinamento urbano dovuto (in Italia) per il 70% al traffico: Utilizzare esclusivamente motori elettrici per la mobilità Percorso medio giornaliero in città inferiore ai 20 Km (casa-ufficio/scuola): Utilizzare veicoli elettrici con autonomia ridotta (60-80 km) per i percorsi urbani giornalieri.

Quali sarebbero le risposte al problema? Centri urbani solitamente congestionati ed estrema difficoltà di parcheggio : Utilizzare veicoli piccoli, meno ingombranti Circa 1800 decessi (2011 Italia), di cui la metà pedoni e ciclisti, per incidenti in città essenzialmente dovuti a velocità elevata dei veicoli : Utilizzare veicoli con velocità massima compatibile con la velocità consentita nei centri urbani (50 Km/h) Inefficienze energetica ed ambientale (consumi, inquinamento, costi) dovute all’utilizzo di veicoli grossi, pesanti e potenti : Utilizzare nei centri urbani veicoli leggeri, economici, piccoli ed efficienti.

Quali sarebbero le risposte al problema? I quadricicli leggeri elettrici possono essere la soluzione ai problemi della mobilità urbana La transizione presenta sfide complesse legate alla convivenza con veicoli tradizionali, sicurezza, viabilità, rifornimento La transizione deve avvenire con prodotti che abbiano uno spazio di mercato

Cosa pensano gli utenti? Risultati dell’indagine di mercato Elettrico è “cool” Piccolo va bene, ma attenzione alla sicurezza Deve essere affidabile (non deve lasciare “per strada”) Deve avere una autonomia sufficiente per i percorsi urbani giornalieri Deve essere comunque “confortevole” Deve avere uno stile accattivante e non deve costare troppo

La nostra soluzione: HiQuad quadriciclo leggero elettrico Massa 350 Kg Potenza motori: 4 Kw (6 Kw) Velocità massima: 45 Km/h 2 posti (conducente e passeggero) Telaio leggero di sicurezza Range extender di emergenza Climatizzazione Elettronica di controllo di stabilità Linea accattivante Interconnessione (tablet-internet-wifi) Buona abitabilità Buona autonomia di marcia (batterie) Buon confort di marcia (sospensioni).

Tempistica di sviluppo 2012 Piano delle attività: Analisi di mercato Bisogni dei clienti Specifiche di prodotto Studi e ricerche su tecnologie innovative Gruppo propulsivo Strategie di controllo Range extender Sistema di climatizzazione Materiali Progettazione preliminare veicolo 2013 Piano delle attività: Progettazione dei sottosistemi Analisi strutturale del telaio Stile e design del veicolo Gruppo propulsivo Range extender Climatizzazione Logiche di controllo dei flussi di potenza Costruzione dei sotto- sistemi 2014-2015 Piano delle attività: Test dei sotto-sistemi e ottimizzazione Assemblaggio finale Prove su veicolo completo Valutazione performance e miglioramenti

Obiettivi di progetto Progettare un prototipo funzionante di veicolo elettrico. Implementare innovazioni tecnologiche di avanguardia per incontrare adeguatamente tutte le moderne esigenze del mercato. Innovativo Range Extender Innovativo sistema di climatizzazione Multimedialità Rendere il progetto appetibile a chi volesse capitalizzarci, facendosi carico dell’industrializzazione e della commercializzazione. Design accattivante A basso costo Alta efficienza energetica.

I partner del progetto

Simulazione FEM e Crash-test valutazione risultati La simulazione a crash di una vettura presuppone la definizione delle normative alle quali il veicolo deve rispondere. Le tre prove tipiche sono l’urto frontale a 64 km/h su un ostacolo indeformabile fermo; l’urto laterale con un ariete che colpisce la vettura a 50 km/h; e il pole impact in cui la vettura viene fatta scorrere lateralmente contro un palo a 29 km/h posto all’altezza del guidatore. I quattro strumenti di calcolo: semplificati: tool sviluppati per la conversione degli obiettivi crash da normativa in valutazioni obiettivi quantitativi delle prestazioni della scocca I codici FEM utilizzati sono di tipo esplicito e, grazie alla loro intrinseca versatilità, si prestano ad essere impiegati in ogni fase della progettazione del veicolo verso crash e praticamente in tutte le tipologie di calcolo (strutturale e biomeccanico) riproducenti le varie configurazioni di urto/carico. Esistono però situazioni in cui risulta più efficiente (in termini di tempi di calcolo) l’utilizzo di un codice ad approccio multibody. Nella fase di impostazione dei sistemi di ritenuta e dell’ambiente abitacolo è infatti il codice multibody ad essere pesantemente utilizzato. Tale strumento si dimostra poi estremamente idoneo all’impiego congiunto con i codici per l’ottimizzazione (appartenenti all’ultima delle categorie prima citate), qualora si debbano ottimizzare le risposte biomeccaniche dei manichini (sintetizzate da opportuni indicatori di danno), individuando il giusto “mix” di taratura dei vari parametri governanti i sistemi di ritenuta e l’ambiente abitacolo. È noto che il progetto a crash di una “vettura sicura” è un processo di affinamento iterativo di una soluzione tecnica; esso è basato su una serie di “loop” generata a partire dai risultati del processo di ripartizione degli obiettivi generali in sotto-obiettivi specifici (“target deployment”), condotto nella fase di impostazione progetto. Tale percorso coinvolge ed intreccia i due aspetti principali della sicurezza passiva: la risposta biomeccanica degli occupanti e quella strutturale del veicolo. Poiché la bontà del prodotto veicolo verso crash viene oggi valutata tramite la risposta biomeccanica dei manichini impiegati nei crash test sperimentali, è chiaro come la progettazione veicolo debba svilupparsi a partire da questo aspetto, che deve ricoprire dunque la posizione centrale già nella fase di impostazione verso crash.

Schema funzionale del veicolo IPC VMU BCM NYL INVERTER M MOTORUOTA SX MOTORUOTA DX BMS PRESA CARICA BATTERIA CHARGER DC/DC CONVERTER Bus 48V Bus 12V Bus 220V CAN Bus La seguente slide mostra una possibile architettura del powertrain ibrido-serie e delle centraline che governano il veicolo. Da evidenziare i quattro diversi BUS che collegano i vari elementi: Bus principale a 48V per connessione generatore/batterie e motori ruota elettrici. Bus di comunicazione CAN, il quale risulta essere un bus seriale di comunicazione digitale che permette il controllo real-time distribuito con un livello di sicurezza molto elevato. Per i nostri scopi risulta particolarmente adatto per la trasmissione dei segnali di corrente tra batterie e motori elettrici e per il controllo di tensioni e temperature del pacco batterie. Esso permette di far comunicare la centralina con gli inverter dei motori elettrici ed il generatore del motore termico, con il BMS del pacco batterie ed i sensori presenti a bordo. Il bus a 12V che permette di avere all’interno del veicolo una alimentazione DC a 12 V per far funzionare le apparecchiature elettriche interne (sensori, inverter ..) e poter connettere alla presa interna apparecchiature elettriche esterne come cellulari, navigatori satellitari, tablet, ecc. Il bus a 220 V per la connessione alla rete elettrica esterna per permettere di ricaricare il pacco batterie mentre il veicolo è fermo. Tale bus si connette tramite presa alla rete elettrica nazionale e permette l’alimentazione/carica delle batterie tramite il dispositivo car battery charger.

Gruppo propulsivo Motorizzazione elettrica posteriore con 2 motori ruota HTM Batterie Litio: Dotazione di base 5KWh (60Km) Opzionale (+5KWh) (120Km) Pompa di Calore elettrica Potenza termica: 2,6 KW Range Extender di sicurezza con motore alternativo a benzina

Sistema di controllo di trazione Yaw rate

Sistema di controllo di trazione

Sistema di controllo di trazione Implemented method: Where and are the coefficients obtained from the model to control the steering angle and the yaw rate.

Sistema di controllo di trazione

Sistema di controllo di trazione

Controllo di trazione con bassa aderenza

Controllo di trazione risultati

Controllo di trazione risultati

Controllo di trazione - bassa aderenza

Design – soluzione selezionata

Prossimi passi (entro giugno 2015) Completamento assemblaggio finale prototipo Completamento interni Montaggio carrozzeria Test di funzionamento e messa a punto Presentazione del prototipo a possibili investitori

Possibili sviluppi futuri Nuovo modello 4x4 con 4 motori ruota (quadriciclo pesante) Nuovo modello da trasporto Nuovo range extender (a pistone rotante) Nuovo climatizzatore magnetocalorico.

Grazie per l’attenzione

Obiettivi di progetto – Parte Sensore Sensore di pressione in camera di combustione Costruire il prototipo di un sensore che abbia una durata comparabile con quella del motore a combustione Membrana in SiC (carburo di silicio) Sistema di misurazione optoelettronico Collegamento diretto con la centralina del veicolo per avere dati in tempo reale ed ottimizzare i consumi del motore e le emissioni inquinanti. Validare il sensore tramite Camere da test statiche e dinamiche Prove a bordo veicolo.

Studio FEM su telaio e carrozzeria Modello FEM ad elementi monodimensionali beam: Lay-out veicolo Scelta materiale Ottimizzazione topologica Ottimizzazione strutturale Definizione valori di rigidezza globale torsionale e flessionale Benchmark dei valori di settore Modello FEM ad elementi bidimensionali shell: Modellazione dettagliata delle geometrie Simulazione equivalente di sollecitazioni dinamiche Valutazione locale delle tensioni Valutazioni interazioni telaio-sospensioni Per la progettazione del telaio del veicolo, una volta definito il layout delle componenti, si definiscono tre livelli di avanzamento del progetto attraverso tre diversi modelli FEM del telaio. In prima analisi deve essere realizzato un modello del telaio composto da elementi trave monodimensionali, attraverso il quale si caratterizza il comportamento strutturale del telaio in termini globali di rigidezza torsionale e flessionale. I valori ricercati, individuati mediante un confronto tra i valori tipici di settore e i parametri di confort e handling richiesti, devono essere inseguiti attraverso un’ottimizzazione strutturale e topologica ottenibile agendo sulla geometria, sulle scelte tecnologiche di realizzazione e sul materiale utilizzato. In secondo luogo deve essere realizzato un modello ad elementi shell che modelli in dettaglio la geometria del telaio ed in particolare le giunzioni tra profilati. Attraverso la simulazione equivalente delle sollecitazioni dinamiche ricavabili dalle condizioni di esercizio più gravose, il modello sarà in grado di fornire informazioni dettagliate sullo stato tensionale locale. Infine una sotto-modellazione di dettaglio delle componenti della carrozzeria e delle sospensioni, fornirà l’entità delle interazioni tra componenti e telaio in condizioni di esercizio. Modello FEM elementi carrozzeria Valutazione interazione componenti-telaio