SIMULAZIONE 0D-1D CON AVL CRUISE-M DI UN VEICOLO AD ALTE PRESTAZIONI A BATTERIA E FUEL CELL

L’industria automotive, sta vivendo una fase di transizione verso soluzioni di mobilità più sostenibili, con l’obiettivo di ridurre le emissioni di CO₂. In questo contesto si stanno affermando nuove tecnologie di propulsione, tra cui i powertrain elettrici con l’integrazione di range extender a celle a combustibile (fuel cell). Lo studio presentato in questa tesi si è concentrato sullo sviluppo e sulla validazione sperimentale di modelli veicolari finalizzati alla valutazione delle performance di queste nuove soluzioni. Il veicolo di riferimento è un prototipo progettato da Dallara con powertrain elettrico a batteria, per il quale si dispone di dati raccolti durante l’esecuzione di cicli di omologazione o cicli guida reali (su strada o in pista). Il software utilizzato per la modellazione è AVL CRUISE M, uno strumento di simulazione multidisciplinare dei sistemi veicolo, che consente l’analisi dei concetti di mobilità, la progettazione e il layout dei sottosistemi, nonché l’integrazione virtuale dei componenti. Il lavoro di tesi si articola in due fasi principali: la prima riguarda la modellazione di un veicolo elettrico a batteria, mentre nella seconda fase viene modellata l’implementazione di una fuel cell all’interno del medesimo powertrain. In primis, è stato realizzato il modello del powertrain del veicolo elettrico alimentato esclusivamente da una batteria. La modellazione prevede quindi i seguenti componenti principali: batteria, motori elettrici, inverter ed ausiliari. Il modello include anche i componenti meccanici del powertrain, quali: riduttore, freni e ruote. Il peso e i coefficienti aerodinamici del veicolo sono inseriti all’interno di uno specifico componente denominato “Vehicle”, mentre il componente “Cycle Run” consente al modello di veicolo di seguire un profilo di velocità target. Il modello di battery management system consente di limitare la corrente in uscita dalla batteria, oltre ad attuare una strategia di derating. La frenata rigenerativa è stata modellata tramite una funzione che coordina la coppia frenante fornita dai motori-generatori elettrici e quella fornita dai freni a disco, nell’ottica di recuperare più energia energia possibile. Lo step successivo è stato la modellazione del sistema di raffreddamento di batteria e motori-generatori elettrici. In questa fase si è fatto ricorso ad un approccio 1D, così da riprodurre al meglio le piccole fluttuazioni di temperatura sperimentali. Inoltre, sono state inserite delle solid wall opportunamente dimensionate per simulare l’inerzia termica dei vari componenti, e lo scambio termico è stato gestito in maniera analitica. La seconda fase è partita con la calibrazione del modello della fuel cell al fine di riprodurre al meglio la curva di polarizzazione sperimentale, oltre ai valori di umidità in corrispondenza di anodo e catodo. Successivamente, la fuel cell è stata inserita nel modello del veicolo, modificando la capacità della batteria, come indicato dall’azienda. Sono quindi state implementate delle funzioni per la gestione della fuel cell che ne regolano l’accensione e lo spegnimento in funzione della carica della batteria, andando a gestire il flusso di idrogeno all’anodo. Per concludere, si può affermare che il modello 0D/1D del veicolo a batteria ha dimostrato la capacità di riprodurre in maniera accurata i risultati sperimentali, confermando così la validità dell’approccio seguito. Per quanto riguarda l’implementazione della fuel cell, i risultati sono allineati alle simulazioni effettuate da Dallara, ad ulteriore conferma della solidità della modellazione. Si evidenziano inoltre i ridotti tempi di calcolo delle simulazioni. Questi risultati complessivamente evidenziano l’elevato grado di affidabilità e predittività del modello.