Vehículo HOST
El vehículo HOST (Transporte Sostenible Orientado al Humano) es un prototipo con accionamiento eléctrico y sistema de energía de serie híbrida, coordinador de un proyecto europeo con función de enchufe para carga eléctrica desde el exterior. Está impulsado por motores de ruedas eléctricas (volantes independientes de hasta 90 °), que le permiten moverse horizontalmente y rotar sobre sí mismo. HOST tiene un sistema de guía completamente DBW (Drive by wire) y ha sido desarrollado por GEA-GRA Energy Environment Group y Automotive Research Group CIRPS – Centro de Investigación Interuniversitaria para el Desarrollo Sostenible de la Universidad Sapienza de Roma con una asociación también formada por KTH – Royal Institute of Technology en Estocolmo – Suecia, IST – Instituto Superior Técnico – Portugal, Cargo Technologies – Austria, Stile Bertone SpA – Italia Jelley Limited – Reino Unido, Volvo – Suecia, Robosoft – Francia, KVD – Países Bajos. HOST es conocido como el vehículo que nunca duerme porque está equipado con un sistema automático de transbordo que le permite cambiar el cuerpo y el uso previsto durante el mismo día y realizar en las 24 horas diferentes tareas en el servicio de la ciudad.
El sexto programa marco
El proyecto HOST se inició bajo el Sexto Programa Marco de la Unión Europea con el objetivo de repensar la tecnología de los medios de transporte, colocándose como punto de partida no la tecnología existente sino las necesidades de los usuarios. El objetivo era el diseño de un vehículo adecuado para el transporte de mercancías y personas que no era muy contaminante y versátil.
HOST 2.0
HOST 2.0 fue desarrollado por SEM – Sistemas para la Energía y la Movilidad de CIRPS Universidad de Sapienza de Roma – Laboratorio de automoción de la Región de Lazio, cuya cabeza es el Prof. Fabio Orecchini. HOST 2.0 es una nueva versión del vehículo HOST con: baterías de litio equipadas con BMS (Battery Management System) para el control del voltaje, la corriente y la temperatura de las 70 células implementadas; Inversor controlable a través de CAN e inalámbrico con la posibilidad de trabajar hasta tensiones de 800 V; sistema de dirección con 4 volantes a 90 ° se mueve con actuadores eléctricos de precisión de 1/500 mm con un solo codificador en el motor como sensor de posición (contra 6 para la rueda de la versión anterior); lógica central del comando en tiempo real que rige los 4 inversores de los motores de 4 ruedas, el 3 inversor de las baterías, los ultracondensadores,.
Descripción de la arquitectura y operación del vehículo HOST
El acrónimo HOST significa «transporte sostenible orientado a la humanidad» y con él nos fijamos el objetivo de realizar un vehículo híbrido eléctrico en serie que le permita encontrar soluciones alternativas a los vehículos de combustión interna tradicionales. Los objetivos principales y los aspectos innovadores de este proyecto se refieren a su flexibilidad de uso que conduce a una reducción drástica de las emisiones contaminantes típicas de los vehículos convencionales.
El concepto de vehículo se basa en el transbordo, de hecho, en el tren de potencia térmico-eléctrico híbrido se pueden injertar varios cuerpos que realizan la función de transformar el vehículo de tal manera que se puede cambiar el uso previsto de la misma durante el mismo día y para que pueda realizar diversas tareas en la ciudad durante las 24 horas. Los servicios que HOST puede realizar son los siguientes:
Servicios diurnos de uso compartido de automóviles (automóvil por el día);
Taxi colectivo Nocturne (taxi colectivo para las horas nocturnas);
Recolección de basura Nocturne;
Recolección y distribución de carga diurna.
HOST está equipado con cuatro volantes y volantes independientes (cada uno tiene su propio motor eléctrico e inversor síncrono de imanes permanentes) que también le permite realizar maniobras especiales como movimientos horizontales y giratorios alrededor de sí mismo.
En virtud de su maniobrabilidad, HOST garantiza una gran facilidad en la carga / descarga de bienes y personas y, por lo tanto, está diseñado para llevar a cabo continuamente diversas tareas que van desde transporte urbano, taxis nocturnos, recolección de residuos hasta transporte de mercancías. La idea de tener un vehículo disponible que funcione las 24 horas del día y se pueda usar para todas las necesidades de la ciudad, tanto como automóvil como como camión pequeño. De hecho, se puede montar de acuerdo con el tipo de tarea requerida, pudiendo ir desde un módulo básico de 3,5 m hasta 6 m de longitud. Este vehículo podría ser explotado por las administraciones municipales para poder obtener bienes, personas y recolección de residuos con un solo medio y con menor impacto ambiental gracias a la tecnología híbrida.
Tren de potencia
HOST es un vehículo híbrido eléctrico en serie en el que el motor de combustión interna (ICE) se acopla directamente a un generador síncrono de imanes permanentes (GU) que convierte la energía mecánica disponible para el eje en energía eléctrica. La corriente alterna, suministrada por el generador, se convierte en continua por un rectificador de refuerzo para que pueda enviarse al enlace continuo que se fija a 300 V. El sistema de almacenamiento combinado consiste en dos paquetes de baterías (B), específicamente usan Litio- Baterías Ion en HOST 2.0, mientras que en la versión anterior de HOST había baterías de NiMH, que funcionan con una dinámica no demasiado alta para garantizar la durabilidad y la eficiencia. Esto es posible mediante el uso de Supercapacitor (C) que interviene en los transitorios rápidos vinculados al accionamiento de tracción, dado su excelente comportamiento dinámico. Tanto las baterías como los supercondensadores están conectados al enlace continuo por medio de un impulso bidireccional que permite el paso de la corriente en ambas direcciones dependiendo de la estrategia que en ese momento el «controlador de energía» (gestor de flujos de energía o administrador del sistema) está implementando para satisfacer las solicitudes de carga del piloto. El gestor de flujo de energía se identifica con el nodo BU en cuyo DSP (procesamiento de señal digital) se implementa un control de corriente.
Para ello, el controlador de potencia adquiere todos los datos necesarios, como el estado de carga de la batería, los supercondensadores, el par motor al que funciona el térmico y las entradas piloto (por lo tanto, el par de carga requerido para las ruedas) y a través de su conocimiento determina la clasificación de la potencia disponible entre las diversas fuentes para satisfacer las solicitudes del piloto de forma compatible con la disponibilidad de fuentes de energía instantáneas o para recargar los sistemas de almacenamiento en tiempos de baja demanda de energía a las ruedas. La lógica del algoritmo de gestión de la energía consiste, en última instancia, en la supervisión de la diferencia entre la entrada de potencia en el enlace continuo, el nodo GU a través del generador y la requerida por los motores de tracción a las ruedas. Los microprocesadores que controlan los convertidores de nodos se comunican entre sí a través de un canal mejor conocido como bus. La comunicación debe ser lo más libre posible de las perturbaciones externas y debe gestionarse de acuerdo con un protocolo que tenga un diagnóstico interno elevado ante cualquier error que pueda producirse. Esta tarea cumple de manera óptima el bus CAN (Controller Area Network) y se ha elegido como un bus para la electrónica de potencia del vehículo HOST.
Finalmente, están las cuatro unidades de tracción, relacionadas con los cuatro motores síncronos de imanes permanentes conectados a las ruedas del vehículo, que tienen su propio autobús donde pasan información sobre el control de tracción de la rueda y los relativos al porcentaje de frenado regenerativo que se realizará. El bus de control del motor de tracción de la rueda es de 24 V con una masa separada de la CAN para evitar la propagación de cualquier perturbación entre los dos sistemas de comunicación. La información que estos buses deben compartir también es inherente a los procedimientos que deben implementarse en situaciones extraordinarias, de hecho, si el administrador del sistema detecta que el sistema de almacenamiento combinado está completamente cargado, tendrá que advertir al circuito de la comunicación del bus para no practicar el frenado regenerativo, evitando así daños graves. Se observa que este es un procedimiento de seguridad porque el sistema de almacenamiento está diseñado con un algoritmo de control que funciona para permanecer por debajo de la capacidad máxima de almacenamiento a fin de recuperar siempre parte de la energía con el frenado regenerativo. La elección de los motores de imán permanente se utiliza ampliamente en la actualidad en la tracción híbrida y puramente eléctrica del automóvil, ya que estos motores proporcionan pares por unidad de volumen más altos que otras máquinas. Entonces, al mismo volumen del motor tenemos pares (o potencia ya que la térmica funciona en «punto fijo») en la salida más alta y para una corriente dada (por lo tanto el par está fijo) pérdidas menores debido al efecto Joule dada la ausencia de el circuito del rotor. También se sabe que el comportamiento de estas máquinas es análogo a las máquinas de CC en términos de características de par y regulación de velocidad con la gran ventaja de no tener los cepillos y hacer la conmutación por medio de convertidores estáticos: la máquina eléctrica de imanes permanentes está conectada a el motor de combustión interna sin cajas de cambio, este último es el 3 cilindros del SMART 800cc diesel. Para aumentar la eficiencia del sistema de propulsión, es necesario contar con un sistema de almacenamiento de energía que, junto con la unidad de generación de GU, pueda satisfacer las solicitudes de accionamiento. Obviamente, el requisito principal de un sistema de acumulación debe ser su fiabilidad en términos de durabilidad cuando está sujeto a ciclos de carga y descarga continuos. En HOST hay un sistema de almacenamiento combinado, por lo tanto, además de un paquete de baterías, hay un paquete de condensadores que satisface las demandas de energía con una dinámica rápida. Las baterías y los supercondensadores difieren por algunas características y por la precisión son complementarios de los otros, de hecho los primeros tienen una alta capacidad de almacenar energía (kWh) mientras que los segundos tienen una alta densidad de potencia (kW / dm3) y por lo tanto, tienen una excelente capacidad para proporcionar respuestas rápidas en transitorios rápidos, como la aceleración y el frenado. Desde el. Entrando en más detalles con la electrónica de potencia de HOST, ya hemos mencionado las tres unidades fundamentales presentes en el vehículo híbrido en cuestión:
Unidad de Generación GU
Unidad de batería BU
Unidad de ultracondensadores UC
Los componentes del tren de potencia
Motor de combustión interna
El motor de combustión interna es el 3 cilindros del SMART diesel de 800 cc, que en el rango de velocidad entre 1700-1800 rpm puede proporcionar la gama completa de potencias requeridas por el vehículo que se han estimado entre 4.5 kW (25% de P) y 13.5 kW (75% de P) con alta eficiencia tanto en términos de consumo como de emisiones.
Baterías de iones de litio
El tipo de baterías utilizadas en el vehículo HOST 2.0 es el de Ion de litio. Entre las ventajas de este tipo de baterías se encuentran: la alta densidad de energía con el mismo volumen y peso instalados a bordo del vehículo y los altos ciclos de carga / descarga. La densidad de energía de estas baterías es de aproximadamente 150 Wh / kg y 400 Wh / lt.
Supercondensadores
Los supercondensadores acumulan energía eléctrica en dos condensadores en series de doble capa eléctrica EDL (Electrochemical Double Layer) al colocar las cargas eléctricas en la interfaz electrodo / electrolito de una manera «física» y no química, por lo tanto no hay procesos de oxidación química reductores , como en los acumuladores (baterías recargables) y tienen la ventaja de poderse cargar o descargar al instante, garantizando así una potencia específica muy alta. Son dispositivos de conversión y acumulación de energía caracterizados por energías específicas y energías muy superiores a los condensadores convencionales. La desventaja más importante, siempre con respecto a los acumuladores químicos, es la baja energía almacenada.
Tecnología de batería NiMH combinada con el uso de Supercondensadores
El uso de la tecnología de batería NiMH, utilizada en la primera versión de HOST, combinada con el uso de Supercondensadores permite mejorar la confiabilidad del sistema de almacenamiento en términos de durabilidad cuando está sujeto a ciclos de carga y descarga continuos. Recuerde que las baterías y los supercondensadores difieren por algunas características que los hacen complementarios, de hecho los primeros tienen una alta capacidad de almacenar energía (kWh) mientras que los últimos tienen una alta densidad de potencia (kW / dm3) y por lo tanto tienen una excelente capacidad para almacenar energía. proporciona respuestas rápidas en transitorios rápidos como la aceleración y el frenado. El uso de supercondensadores combinados con el de baterías (NiMH) es óptimo ya que parece apoyar el funcionamiento de las baterías que, al no estar «estresadas», tienen un mejor funcionamiento y una mayor autonomía. Es bueno subrayar que el uso combinado de las dos tecnologías descritas anteriormente se puede aplicar a las diferentes conexiones híbridas en serie, hibrido paralelo e híbrido serie-paralelo.
El sistema Drive By Wire
El «drive by wire» (DBW) encuentra su primera aplicación automotriz en el control de la potencia suministrada por el motor, que ya no se controla directamente (un simple cable de acero que abre o cierra las válvulas de laminación del sistema de inyección), pero a través de un sistema indirecto que, conectado al acelerador, opera un potenciómetro; este instrumento, a su vez, transmite a una unidad de control electrónico la información relacionada con la demanda de potencia transmitida por el acelerador, gracias a un cálculo de cuánto se ha presionado el pedal. Esta información se procesa junto con una serie de otros datos (como la velocidad relativa de las ruedas, la aceleración transversal y axial a la que está sometido el vehículo, el ángulo de dirección, la temperatura exterior, las cargas sobre los amortiguadores, la guiñada y ángulo de balanceo así como numerosos otros parámetros) y transmitido de vuelta a un servomotor que hace girar las válvulas de rodadura del sistema de inyección de tal manera que se evite la pérdida de adherencia debido al par aplicado excesivo en las ruedas motrices. Básicamente, la unidad de control electrónico responde a la necesidad de una fuente de alimentación óptima, tratando de satisfacer la solicitud del usuario a través del acelerador y los límites físicos del vehículo en las condiciones que ocurren en un instante dado. En HOST, la interfaz del conductor ha sido revisada por un sistema para ajustar la dirección de las ruedas por medio de pedales. La interfaz de manejo se describe como MMI (interfaz hombre máquina) y tiene dos funciones principales: el ángulo de guiñada y balanceo y muchos otros parámetros) y se transmite a un servomotor que gira las válvulas de rodadura del sistema de inyección de forma tal que evita pérdida de adherencia debido al torque excesivo aplicado a las ruedas motrices. Básicamente, la unidad de control electrónico responde a la necesidad de una fuente de alimentación óptima, tratando de satisfacer la solicitud del usuario a través del acelerador y los límites físicos del vehículo en las condiciones que ocurren en un instante dado. En HOST, la interfaz del conductor ha sido revisada por un sistema para ajustar la dirección de las ruedas por medio de pedales. La interfaz de manejo se describe como MMI (interfaz hombre máquina) y tiene dos funciones principales: el ángulo de guiñada y balanceo y muchos otros parámetros) y se transmite a un servomotor que gira las válvulas de rodadura del sistema de inyección de forma tal que evita pérdida de adherencia debido al torque excesivo aplicado a las ruedas motrices. Básicamente, la unidad de control electrónico responde a la necesidad de una fuente de alimentación óptima, tratando de satisfacer la solicitud del usuario a través del acelerador y los límites físicos del vehículo en las condiciones que ocurren en un instante dado. En HOST, la interfaz del conductor ha sido revisada por un sistema para ajustar la dirección de las ruedas por medio de pedales. La interfaz de manejo se describe como MMI (interfaz hombre máquina) y tiene dos funciones principales: ángulo de orientación y balanceo así como numerosos otros parámetros) y se retransmite a un servomotor que gira las válvulas de rodadura del sistema de inyección de manera que evite pérdidas de adhesión debido al par excesivo aplicado a las ruedas motrices. Básicamente, la unidad de control electrónico responde a la necesidad de una fuente de alimentación óptima, tratando de satisfacer la solicitud del usuario a través del acelerador y los límites físicos del vehículo en las condiciones que ocurren en un instante dado. En HOST, la interfaz del conductor ha sido revisada por un sistema para ajustar la dirección de las ruedas por medio de pedales. La interfaz de manejo se describe como MMI (interfaz hombre máquina) y tiene dos funciones principales: ángulo de orientación y balanceo así como numerosos otros parámetros) y se retransmite a un servomotor que gira las válvulas de rodadura del sistema de inyección de manera que evite pérdidas de adhesión debido al par excesivo aplicado a las ruedas motrices. Básicamente, la unidad de control electrónico responde a la necesidad de una fuente de alimentación óptima, tratando de satisfacer la solicitud del usuario a través del acelerador y los límites físicos del vehículo en las condiciones que ocurren en un instante dado. En HOST, la interfaz del conductor ha sido revisada por un sistema para ajustar la dirección de las ruedas por medio de pedales. La interfaz de manejo se describe como una MMI (interfaz hombre máquina) y tiene dos funciones principales: entrega de potencia óptima, tratando de satisfacer la solicitud del usuario a través del acelerador y los límites físicos del vehículo en las condiciones que ocurren en un instante determinado. En HOST, la interfaz del conductor ha sido revisada por un sistema para ajustar la dirección de las ruedas por medio de pedales. La interfaz de manejo se describe como una MMI (interfaz hombre máquina) y tiene dos funciones principales: entrega de potencia óptima, tratando de satisfacer la solicitud del usuario a través del acelerador y los límites físicos del vehículo en las condiciones que ocurren en un instante determinado. En HOST, la interfaz del conductor ha sido revisada por un sistema para ajustar la dirección de las ruedas por medio de pedales. La interfaz de manejo se describe como una MMI (interfaz hombre máquina) y tiene dos funciones principales:
Velocidad de la rueda: velocidad de la rueda (tracción);
Dirección de la rueda – dirección de la rueda.
Transbordo
El uso de un solo chasis implica la creación de una plataforma básica que se puede utilizar para diferentes tipos de vehículos. En los últimos años, en el mercado automotriz ha habido una tendencia a producir piezas tales como cajas de engranajes mecánicos, que podrían usarse para diferentes modelos de vehículos y marcas de automóviles. La ventaja de utilizar un solo cuadro es que no requiere un proceso de «adaptación» de la pieza al vehículo en el que se elige instalarlo, ya que la base del vehículo es la misma para vehículos adecuados para satisfacer diferentes propósitos. también se asume una estandarización en el proceso de producción del propio marco, lo que llevaría a una reducción del precio. Un concepto de «modularidad» de la potencia del vehículo es aplicable a HOST: gracias, de hecho, a los motores de rueda es posible agregar un «eje trasero de potencia», que incluye dos motores de rueda, al tren de potencia básico obteniendo así un vehículo caracterizado por un mayor poder. De esta forma, HOST puede cumplir diferentes servicios que requieren mayores poderes.
Rueda de motores
Los motores de rueda son una de las soluciones más interesantes para vehículos con transmisión eléctrica, ya que liberan completamente la carrocería del resto y, por lo tanto, reduce las dimensiones generales del motor / unidad de transmisión. Estos son motores discoidales alojados en la llanta e integrados con el sistema de frenado. De hecho, es todo el motor para girar, mientras que el cigüeñal se fija a la carrocería del automóvil.
Inversor
La placa de datos del convertidor, un elemento de la electrónica de potencia, se deriva directamente del dimensionamiento del motor eléctrico y de la conexión al enlace de CC. La estructura de este elemento es la siguiente: tres fases con fuente de voltaje del inversor IGBT (3 teléfonos IGBT inversor VSI), esta estructura es estándar para el suministro del flujo axial en un motor de imán permanente. El IGBT (Transistor Bipolar de Puerta Aislada) es un dispositivo impulsado por una puerta en un lado y en el otro tiene un colector y un emisor. Se usa para conmutar altos voltajes y altas corrientes; los modelos más grandes son capaces de cambiar 1200 A en voltajes de 6000V. La única advertencia que debe tenerse en cuenta es el hecho de que el convertidor no permite ningún tipo de sobrecarga; los inversores deben dimensionarse para la tensión y corriente máximas requeridas. Además, para ahorrar espacio y peso dentro del vehículo, un requisito adicional es que el inversor debe estar refrigerado por líquido. En la actualidad, no existe un inversor comercial disponible en el mercado que cumpla con los requisitos antes mencionados y, por lo tanto, es adecuado para su instalación en un vehículo. En realidad, hay varios prototipos de inversores disponibles para su uso en vehículos híbridos, pero ninguno de ellos está, por supuesto, a la venta. De hecho, se llevó a cabo un proceso de adaptación para obtener las características requeridas. El inversor debe ser refrigerado por líquido. En la actualidad, no existe un inversor comercial disponible en el mercado que cumpla con los requisitos antes mencionados y, por lo tanto, es adecuado para su instalación en un vehículo. En realidad, hay varios prototipos de inversores disponibles para su uso en vehículos híbridos, pero ninguno de ellos está, por supuesto, a la venta. De hecho, se llevó a cabo un proceso de adaptación para obtener las características requeridas. El inversor debe ser refrigerado por líquido. En la actualidad, no existe un inversor comercial disponible en el mercado que cumpla con los requisitos antes mencionados y, por lo tanto, es adecuado para su instalación en un vehículo. En realidad, hay varios prototipos de inversores disponibles para su uso en vehículos híbridos, pero ninguno de ellos está, por supuesto, a la venta. De hecho, se llevó a cabo un proceso de adaptación para obtener las características requeridas.
Suspensiones
Las suspensiones son del tipo de doble brazo con el segundo brazo MacPherson. El brazo interno está anclado fijo y tiene la posibilidad de girar sobre sí mismo, el exterior funciona como un MacPherson clásico y es arrastrado en rotación por el brazo interno (90 °). La rotación de 90 ° se realiza mediante dos actuadores. El resultado de esta actividad es una «esquina de rueda» modular concebida con un impacto mínimo en el diseño del marco y con la posibilidad de ser fijado en cada posición del vehículo.