Ing. Andrea Moschini Prof. Ing. Oliviero Giannini Fiera di Roma 12 Ottobre 2014 Ing. Andrea Moschini Prof. Ing. Oliviero Giannini

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 e pompe di calore per la climatizzazione residenziale (eliminando l’uso di combustibili fossili) 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? 2 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.

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

La nostra soluzione: Hi Quad 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).

Processo interattivo di sviluppo prodotto Ricerca industriale, Sviluppo Scientifico e analisi tecniche di fattibilità Piano di progetto Progettazione del veicolo Sviluppo prototipo Testing e ottimizzazione Veicolo finale Progetto dei sotto-sistemi Impatto atteso L'obiettivo è quello di: Sviluppare un quadriciclo elettrico leggero, conveniente, sicuro, ergonomico ed efficiente; Specificare caratteristiche e funzionalità desiderate; Identificare i principali fornitori di tecnologia e utilizzare il loro know- how e la loro esperienza; Reiterare i risultati per consentire una continua evoluzione della metodologia e della tecnologia e migliorare costantemente le proposte fornite.

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 – Parte Quadriciclo 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.

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.

I partner del progetto

Web Site: www.hiquad.it

Project management – 2 SAL 30/6/2012 PL DESCRIZIONE SOGGETTO TA VEICOLO 1.1 Analisi scenario tecnico e tecnologico. SCIRE RI 2.1 Analisi brevettuale e normativa omologativa di riferimento. Technos 3.1 Sviluppo di procedure di progettazione. Programmazione esecutiva di attività, compiti, risorse e obiettivi. Fase 1 4.1 Progettazione di massima Sistema di propulsione ibrido. SS 6.1 Sviluppo metodologia di calcolo CFD 7.1 Materiali e studi FEM su carrozzeria: definizione delle specifiche tecniche 8.1 Progettazione telaio: Studi e analisi concorrenza. Picchio 9.1 Simulazione FEM e Crash-test della scocca: definizione delle specifiche tecniche 10.1 Progettazione e definizione componentistica meccanica e ciclistica: analisi dei componenti 11.1 Simulazioni su Handling e studi su sospensioni e stabilità: definizione delle caratteristiche tecniche SENSORE 18 Definizione delle specifiche 24 Determinazione delle caratteristiche di codici open source idonei alla simulazione multi fisica H2CU 28 Definizione Specifiche Packaging del Sensore, Scelta dei Materiali Determinazione delle condizioni al contorno CNR 36 Determinazione delle specifiche di progetto per le camere di test statiche 39 Determinazione delle specifiche di progetto per le camere di test dinamiche EDA 49 Ricerca mercato PM 55.1 Project Management RI 56.1 Project Management SS

Analisi di mercato Regole d’oro Mercato: Concorrenza: Clienti: Dall’analisi di mercato emergono, in particolare, le seguenti “regole d’oro”, utili da seguire per lo sviluppo del quadriciclo oggetto d’analisi: Clienti: Esiste una buona propensione all’acquisto del quadriciclo Dalla Swot Analysis emergono più benefici che timori (i vantaggi sono più sentiti dagli under 17) Tra le grandi 5 arene (Funzionalità, Economicità, Sicurezza, Estetica ed Innovazione) quelle che maggiormente impattano sulla soddisfazione del cliente sono l’economicità e la sicurezza Regole d’oro Mercato: Tre principali macro aree: Senior (55%) Junior (35%)  A Roma rappresentano il target primario Merci (10%) Quadriciclo Elettrico: mercato di nicchia Concorrenza: Sul mercato esistono dei forti competitors, soprattutto con focus sul target senior (AIXAM e le altre best practices puntano principalmente sulla funzionalità, parametro fortemente sentito dagli over 45); Il mercato finale del quadriciclo è diviso in tre principali grandi macro aree: Senior: mercato primario formato principalmente da Over 45 (all’interno di questa fascia sempre più spazio lo stanno ricoprendo le donne); Over 60 (pensionati): circa il 25% Junior: mercato secondario formato principalmente dagli under 17 (coloro che ancora non sono in possesso della patente) Merci: mercato del trasporti merci nelle aree urbane per fornire ai comuni la capacità di trasportare merci senza inquinare e rispettando le regole della Zona a Traffico Limitato Da notare, tuttavia, che “l’utente tipo” cambia in base alla regione analizzata. A ROMA, a differenza del resto d’Italia, la maggiore % di utilizzatori è rappresentata dall’under 17 Quadriciclo Elettrico: Mercato di nicchia: pochissimi ancora i produttori che si cimentano nella produzione di quadricicli elettrici (e dei pochi prodotti esistenti c’è una carenza di diffusione di informazioni) La concorrenza ha cominciato a muoversi attraverso mosse strategiche per conquistare fette di mercato e fidelizzare i clienti verso i loro prodotti innovativi. Risulta, quindi, fondamentale possedere doti di flessibilità, di osservazione, riuscire a essere mentalmente aperti per accettare, ma soprattutto affrontare, i rapidi e profondi cambiamenti che il contesto impone. Tra i segnali da tenere in considerazione: Sul mercato esistono forti competitor soprattutto con focus sul target “senior”. Infatti, AIXAM e le altre best practices puntano principalmente sulla funzionalità, parametro fortemente sentito dagli over 45; Emerge quindi che il target under 17 è ancora parzialmente insoddisfatto; In Italia la maggiore concentrazione di quadricicli è a Roma dove il mercato primario è costituito gli under 17. Le golden rules dell’analisi sulla customer satisfaction sono le seguenti: Esiste una buona propensione all’acquisto del quadriciclo ed alle sue due versioni “elettrico” ed “ibrido”. La modalità preferita per ottenere la batteria è il leasing; Contrariamente a quanto ci si aspettava, c’è una notevole diffusione di informazioni; Dalla Swot Analysis emergono più benefici che timori (i vantaggi sono particolarmente sentiti dagli under 17, mentre i timori dalla fascia d’età 35-60); Tra le grandi 5 arene (Funzionalità, Economicità, Sicurezza, Estetica ed Innovazione) quelle che maggiormente impattano sulla customer satisfaction sono l’economicità e la sicurezza:Tuttavia, la sicurezza è un fattore al quale non viene dato particolare importanza dagli under 17, o comunque di meno rispetto agli altri due profili utenti; L’estetica e l’innovazione sono maggiormente sentiti dai più giovani (under 17) e meno sentiti dalla fascia d’età 18-34 A valle di questa analisi si è rafforzata la consapevolezza di essere di fronte ad una grande opportunità che può portare benefici all’intero sistema Paese, sia in termini economici, sia di qualità di vita, e di mobilità intelligente.

Schema funzionale del veicolo BCM: Body Control Management BMS: Battery Management System IPC: Instrument Panel Controller NYL: Node Yawrate Lateral acceleration VMU: Vehicle Management Unit 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.

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

Simulazione del Crash-Test Definizione delle specifiche di crash test Urto frontale Urto laterale Pole impact La simulazione numerica applicata alla “passive safety” si avvale di strumenti di calcolo di quattro categorie: • Strumenti con approccio “semplificato” (intendendo con tale termine tutto quanto non direttamente riconducibile all’uso delle tecniche ad elementi finiti e multibody); • Codici FEM; • Codici Multibody; • Codici di ottimizzazione. 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. Modellazione FEM attraverso codici espliciti Autovettura Manichini

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.

Sistema di climatizzazione Il sistema ad assorbimento nella configurazione di veicolo elettrico non è applicabile in quanto non vi è un motore da cui assorbire il calore. Per questo motivo il sistema di condizionamento utilizzerà una Pompa di Calore appositamente dimensionata e costruita. Caratteristiche della PdC elettrica: Potenza termica: 2,6 KW. Potenza elettrica: 1 KW. Alimentazione: da batterie 48V. Possibilità di scambio termico con schiume di metallo Funzionamento: Invernale: riscaldamento abitacolo + raffreddamento componenti (motori, batterie, elettronica). Estivo: raffreddamento abitacolo e componenti. Subordinato alla potenza assorbita dai motori (priorità secondaria). Indipendente sotto ricarica.

Gruppo propulsivo Motorizzazione elettrica posteriore con 2 motori ruota HTM Batterie: Dotazione di base (pacco batterie Litio da 5KWh) Dotazione optional (pacco batterie da 10KWh)

Dotazione di sicurezza Dotazione optional di Range Extender (con motore rotativo a benzina) Sistema di controllo di trazione (Torque Vectoring) per aumentare l’affidabilità e la sicurezza. Simulazione sul giaccio (9,5 km/h) Simulazione su manto nevoso (42 Km/h)

Design – varie proposte

Design – soluzione selezionata

Design – dettagli

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, e buona domenica!