Powertrain ibride: ottimizzazione e sperimentazione

L’applicazione di nuove tecnologie, legate alla ricerca di una riduzione dei problemi riguardo l’impatto ambientale è un tema ricorrente in diversi ambiti tecnici. Nel campo dei veicoli gli studi volti all’aumento dell’efficienza dei sistemi propulsivi rappresentano uno dei settori di maggiore fermento. La costante crescita del parco circolante mondiale rende sempre più necessaria la ricerca di una soluzione in grado di diminuire l’impatto ambientale delle vetture e, conseguentemente, i consumi di derivati del petrolio le cui riserve vanno via via esaurendosi. Tra le tecnologie più promettenti vi sono sicuramente i veicoli elettrici e ibridi. La diffusione di massa dei primi è legata a problemi economici e infrastrutturali, non sarà infatti possibile costruire veicoli elettrici competitivi finché il prezzo delle batterie non scenderà almeno fino a 500$ al kWh dagli attuali circa 800$. Una volta raggiunta questa soglia, per la quale gli studi di importanti società di consulenza, quali il Boston Consulting Group e Rolland Berger, danno orizzonti temporali di circa 5-7 anni, sarà poi necessario costruire infrastrutture in grado di garantire la ricarica rapida dei pacchi batteria ad alta capacità. La tecnologia dei sistemi ibridi basati su batterie al litio, rappresenta invece una soluzione attuale, che si avvicina sempre più alla maturità tecnica. Sono già disponibili motori elettrici che possono raggiungere efficienze nell’ordine del 90% nell’intero range di utilizzo, che possono recuperare energia attraverso la funzione di frenata rigenerativa e che possono essere utilizzati per implementare strategie di power splitting utili a limitare il consumo di carburante dei motori a combustione interna. Il settore delle competizioni, per tradizione, ha il ruolo di porsi come avanguardia del settore automobilistico nell’utilizzo delle nuove tecnologie e questa tesi rappresenta la sintesi di un percorso di ricerca e sperimentazione nel campo delle motorizzazioni ibride applicate alle competizioni automobilistiche. Come noto, il settore automotive è contraddistinto da una forte multidisciplinarità e questo aspetto risulta enfatizzato nelle applicazioni trattate all’interno di questo documento. Installare una powertrain ibrida a bordo di una vettura da competizione comporta, infatti, competenze nel campo dell’elettronica e del progetto di controlli, competenze di dinamica del veicolo, di progettazione meccanica e di costruzione dei veicoli terrestri. L’applicazione ai prototipi da competizione accentua ulteriormente la necessità di integrare le competenze del gruppo progettuale che, forzatamente, deve fare efficienza per raggiungere risultati rilevanti con budget, tempistiche e organico sottodimensionati. La trasversalità degli argomenti trattati rappresenta uno degli aspetti fondanti della meccatronica e, per questo motivo, lo studio di powertrain ibride è stato scelto come argomento di ricerca per lo svolgimento di tre percorsi di dottorato e per la stesura delle relative tesi. I tre documenti trattano tre diversi aspetti dello studio e della progettazione dei sistemi ibridi, il primo è dedicato al dimensionamento meccanico ed elettrico dei sistemi con particolare attenzione al progetto di pacchi batterie ad alte prestazioni, il secondo si concentra sull’elettronica necessaria alla gestione del sistema e sul progetto di un controllo che ne automatizzi il funzionamento e ne garantisca la sicurezza. Questo documento è invece dedicato alla modellistica necessaria al progetto di un sistema ibrido, al lavoro di calibrazione e validazione dei modelli e alle attività di sperimentazione e sviluppo degli stessi. Al fine di contestualizzare e introdurre i progetti trattati, sono stati redatti dei capitoli comuni ai tre documenti che riassumono i risultati del lavoro congiunto dei tre autori attraverso la descrizione dei sistemi realizzati e dei risultati raggiunti. Per necessità di sintesi si è infatti deciso di focalizzare l’attenzione su due applicazioni pratiche, una piccola monoposto per competizioni studentesche di Formula Hybrid, la Sc08h, e una vettura gran Turismo su base Ferrari progettata per concorrere alla 24 ore del Nurburgring, la P4/5 Competizione. Il campo di applicazione descritto pone delle limitazioni alla divulgazione di alcune informazioni come, ad esempio, le caratteristiche di alcuni componenti sperimentali ma, allo stesso tempo, consente l’opportunità di vedere realizzato il risultato del lavoro di ricerca ed il privilegio di validare e verificare le ipotesi e le assunzioni formulate in fase progettuale