Archimede Solar Car è il primo prototipo prodotto di veicolo a trazione fotovoltaica su quattro ruote. Una volta terminato, manca pochissimo ma ancora va testato su strada, parteciperà alle competizioni dedicate al settore, sempre più diffuse in tutto il mondo, e si confronterà con altri team, composti da studenti e ricercatori provenienti dai più prestigiosi atenei mondiali, al fine di testare e migliorare le sue performance stradali e promuovere lo spirito di sperimentazione e la diffusione di mezzi alimentati da energie rinnovabili su scala popolare.
Il prototipo ARCHIMEDE è un veicolo elettrico alimentato completamente da energia solare diretta. Le celle contenute nei pannelli solari, che ricoprono la parte superiore del veicolo, convertono l’energia del sole in energia elettrica. Questa, attraverso un sistema hardware, ricarica un pacco batterie che permette l’alimentazione del motore elettrico.
La struttura portante
Il corpo del prototipo è progettato con tre obiettivi principali:
- Fornire un’ampia superficie superiore per il montaggio delle celle solari;
- Essere estremamente leggero ma, nello stesso tempo, resistente;
- Avere una resistenza agli urti ed alle vibrazioni.
Riguardo il primo obiettivo, alcuni regolamenti prevedono un ingombro massimo della vettura di 4500 mm in lunghezza e di 1800 mm in larghezza.
Riguardo il secondo obiettivo, la possibilità di realizzare l’intera vettura in composito di carbonio aveva dei costi proibitivi. E’ stata pensata quindi una soluzione intermedia, ovvero quella di utilizzare un ”sandwich” di alveolare di allumino con una copertura di kevlar. L’impiego di tale struttura è, quindi, paragonabile al concetto della trave con sezione a I, dove l’anima serve ad aumentare la rigidezza flessionale nella direzione della stessa.
Riguardo il terzo obiettivo, si è ricercato un compromesso tra rigidità e leggerezza. La proprietà che ha spinto ad impiegare l’alluminio è senza dubbio la densità; il valore che fa segnare alla bilancia (2,7 kg/dm3) è pari alla metà di quello del titanio e, addirittura, un terzo di quello dell’acciaio. L’alluminio, inoltre, non soffre il problema della ruggine e neanche dell’indebolimento tipico delle zone interessate dalla saldatura.
Aereodinamica
Quando un corpo si muove in seno ad una massa d’aria o in un altro fluido, esso risente di una resistenza che si oppone all’avanzamento del corpo stesso. Le indagini sperimentali indicano che la resistenza all’avanzamento è legata ai seguenti fattori :
- la viscosità del fluido attraversato;
- la densità del fluido attraversato;
- la velocità relativa tra il corpo e il fluido;
- la forma del corpo;
- la levigatezza della superficie del corpo;
- l’area della sezione maestra del corpo.
Essendo i primi 2 punti delle costanti, si deve lavorare sugli altri parametri cercando di ottimizzare la forma e la sezione maestra, rimanendo nelle misure minime che permettono una posizione corretta per il pilota. Il progetto aerodinamico del veicolo, necessita di una procedura che permetta sia una realistica simulazione dell’interazione dinamica flusso-veicolo, sia un’efficiente modifica delle geometrie ed un veloce sviluppo delle diverse varianti del rivestimento esterno della struttura. Per fare ciò, è necessario trattare il prototipo con modelli di simulazione computerizzati e verificare i risultati in galleria del vento, mediante una prototipazione 3D in scala 1:10 in polistirene.
Gruppo sospensioni
E’ progettato il gruppo sospensioni del veicolo tenendo conto dell’impiego esclusivo in strade asfaltate. Per il gruppo sospensioni anteriore, la scelta è andata su un sistema a quadrilatero deformante. Nel quadrilatero, i lati sono costituiti dai seguenti elementi:
- braccio oscillante superiore;
- braccio oscillante inferiore;
- portamozzo;
- telaio, al quale sono vincolati i bracci oscillanti;
- ammortizzatore.
Il quadrilatero è, di per se, deformabile e permette alla ruota di salire e scendere, mentre la molla tende a riportare la ruota a contato con il manto stradale (è in fase di studio un recupero di energia dal movimento lineare degli ammortizzatori).
PARTE ELETTRONICA
Controllo energia
L’integrazione di un sistema elettronico controllato da un sistema PLD (Programmable Logic Device), un circuito integrato programmabile che implementa una funzione logica predefinita e non modificabile, la programmazione su setup preimpostati, permetterà di selezionare i rendimenti ottimizzati variando i parametri di coppia potenza e risposta dei sensori di input quali temperatura, pendenza stradale, livello di carica delle batterie, velocità media. Questo sistema di controllo gestisce le due energie a disposizione: quella prodotta dai panelli fotovoltaici e quella immagazzinata nel pacco batterie. Con questo tipo di controllo abbiamo avuto modo di notare, in simulazione, un incremento del rendimento del sistema variabile tra di 6 ed il 7 %
Pannello solare
L’array solare è il cuore della vettura, esso fornisce l’energia necessaria al funzionamento del prototipo. La tecnologia scelta utilizza celle al silicio monocristallino che garantiscono, in media, un rendimento del 18/19 %, garantendo su una superficie di 6 mq (246 celle 156 x156 ), una potenza di circa 1000w, con una tensione di esercizio di 96 vcc.
MPTT
Una parte importante di qualsiasi array solare è il controllo e la gestione della potenza MPPT (Maximum Power Point Tracking) . La corrente erogata varia nel tempo a seconda della quantità di luce solare, della temperatura e di altri fattori. L’MPPT regola continuamente la corrente, al fine di mantenere la massima efficienza ed aumentare la tensione in modo che l’energia possa essere utilizzata per caricare il pacco batteria. Questa funzione è gestita da un sistema open source, ”Arduino1”, ed un interfaccia I\O di nostra progettazione.
Telemetria
Sensori, dislocati nei punti di maggior interesse del prototipo, leggeranno e trasmetteranno via radio ad un’auto che segue il prototipo i dati di accelerazione (Forze G) nei 3 assi, le letture della temperatura del motore e delle batterie, la velocità delle ruote e la dislocazione delle sospensioni, la tensione delle batterie e dei pannelli fotovoltaici, l’inclinazione e la pendenza della strada.
Motore
Saranno utilizzati due motori di tipo ”brushless”, montati nel retrotreno, direttamente del mozzo (hub motor). Questo tipo di motore elettrico a magneti permanenti, a differenza di un motore a spazzole, non ha bisogno di contatti elettrici striscianti sull’albero motore per poter funzionare. La commutazione della corrente circolante negli avvolgimenti, infatti, non avviene più per via meccanica (tramite i contatti striscianti), ma elettronicamente. Ciò comporta una minore resistenza meccanica, elimina la possibilità che si formino scintille al crescere della velocità di rotazione e riduce notevolmente la necessità di manutenzione periodica. Il vantaggio riguarda la vita attesa del motore che risulta teoricamente infinita. L’assenza di spazzole, elimina anche la principale fonte di rumore elettromagnetico ed produce un rendimento teorico del 90%. L’inversione di corrente è ottenuta elettronicamente mediante un banco di transistor di potenza IGBT comandati da un microcontrollore. Il problema principale nel loro pilotaggio consiste nel conoscere la posizione esatta del motore. Solo attraverso questi dati, il controller può agire nel decidere quale fase azionare. La posizione del rotore rispetto allo statore viene ottenuta usando un sensore ad effetto ”Hall”.
Batterie
Le batterie saranno di tipo ricaricabile con tecnologia litio-polimero. La principale caratteristica è l’elettrolita realizzato in sale di litio che non contiene solvente organico ma si trova in un composito di polimero solido (esempio il poliacrilonitrile). Molti sono i vantaggi in questo tipo di costruzione, uno tra tutti è dato dalla mancanza di infiammabilità del polimero solido e, di conseguenza, la minore pericolosità in caso di danneggiamento. La batteria può essere più leggera e sagomata per occupare meno spazio ed ha una quota di riciclo pari al 98%. Il controllo di carica delle singole celle avviene tramite un regolatore BMS (Battery Management Systems), ovvero un sistema elettronico a cui sono affidate le funzioni di base per la sicurezza e il corretto funzionamento di un accumulatore elettrochimico di energia. Dotato delle funzioni di monitoraggio di tensione e temperatura, è anche in grado di eseguire le funzioni di stima dello stato di carica ed equalizzazione dello stato di carica tra le diverse celle di una serie.
KERS Supercap
Il termine KERS è l’acronimo di Kinetic Energy Recovery System. L’energia cinetica accumulata dal veicolo in fase di rilascio del sistema propulsivo (motore elettrico ), viene convertita in elettricità dallo stesso motore che, con opportune modifiche effettuate al controller PWM (pulse-width modulation), si comporta da generatore. Tendenzialmente altri sistemi analoghi utilizzano questo flusso di energia per ricaricare direttamente il pacco batterie primario. Da studi da noi effettuati, l’energia prodotta da questo sistema, essendo erogata in tempi molto brevi, viene nuovamente dissipata in calore in quanto il tempo di carica programmato sul sistema bms non consente, per limiti della stessa batteria, di utilizzare questa energia integralmente.
E’ stato studiato e sperimentato un sistema che potesse immagazzinare questa fonte di energia recuperata in maniera integrale. Per tale motivo sono stati utilizzati del supercapacitori 12×18 farad controllati da un circuito che limita la corrente di scarica. Il pilota, in questo modo, utilizza a suo piacimento questa energia recuperata, non caricando direttamente le batterie ma inserendo un circuito di sovralimentazione del motore da 72 vcc a 96 vcc, ottenendo un aumento di potenza pari al 4%.
