Riassunto analitico
La seguente trattazione nasce dalla collaborazione con COBO Group, una società leader mondiale nella progettazione, sviluppo e fornitura di soluzioni globali e sistemi integrati per il mercato dei veicoli off-highway. Essa ha come scopo la trasformazione di una gru cingolata diesel in una versione ibrida elettrica plug-in col fine di ridurre il consumo di combustibile, le emissioni inquinanti e le emissioni sonore.
Il progetto prevede la sostituzione del motore diesel attuale (potenza 129kW) che trascina le pompe con un motore elettrico (91kW) e l’utilizzo di un motore diesel, di minore cilindrata, come range-extender che va ad alimentare un secondo motore elettrico (generatore) per ricaricare il pacco batterie.
In particolare, si è creato un modello del circuito idraulico della gru in esame utilizzando il software MATLAB-Simulink e si è individuato un tipico ciclo di lavoro della macchina per valutare la potenza e l’energia utilizzata in corrispondenza di tale ciclo. Successivamente, si passerà alla scelta dei motori elettrici, degli inverter e del pacco batterie, rispettando i vincoli di ingombro e i requisiti prestazionali richiesti dall’applicazione.
Prima di analizzare i risultati ottenuti e il modello, la trattazione prevede un’introduzione alla problematica.
Il capitolo 2 è un approfondimento dell’architettura load-sensing, descrive i componenti e le configurazioni più performanti dal punto di vista energetico.
Il capitolo 3 contiene una breve descrizione della macchina, l’analisi dei componenti presenti nel circuito idraulico, nonché le loro funzioni e, utilizzando manuali e datasheet dei costruttori, le loro specifiche tecniche.
Il capitolo 4 presenta il software con una breve descrizione della logica utilizzata in MATLAB-Simulink e i metodi risolutivi in esso implementati.
Il capitolo 5 descrive i blocchi presenti in Simscape utilizzati per il modello, nonché la logica e i blocchi necessari per la modellazione dei componenti del circuito reale. In Appendice saranno riportati i vari settaggi dei blocchi.
Il capitolo 6 introduce ai veicoli ibridi, analizzando architetture presenti sul mercato ed i loro vantaggi e svantaggi. Al termine di tale capitolo sarà descritta la configurazione scelta per la gru in esame.
Il capitolo 7 fa riferimento agli azionamenti elettrici, descrive le principali macchine elettriche utilizzate per la propulsione e seguirà la scelta dei motori elettrici per la macchina in studio.
Il capitolo 8 descrive i modelli del motore elettrico e dell’inverter e la loro integrazione col modello del circuito idraulico per ottenere il modello completo della gru ibrida.
Il capitolo 9 presenta le simulazioni, i cicli di lavoro tipici della macchina e l’analisi dei risultati.
Nel capitolo 10 si analizza lo stato dell’arte delle batterie e il dimensionamento del pacco batterie.
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Abstract
The following treaty arises from the collaboration with COBO Group, a world leader company in the design, development, and supply of global solution for off-highway vehicles market. The transformation of a plug-in hybrid crawler crane is presented, with the main purpose of reducing polluting and acoustic emissions and fuel consumption.
The project includes the substitution of the current diesel engine (129kW), used to feed the pumps, with an electric motor (91kW) and the use of smaller diesel engine working as range-extender, that feeds a second electric motor (generator) to recharge the battery pack.
In particular, a hydraulic model of the hybrid crane in question will be created with MATLAB-Simulink and a typical work cycle of the machine will be assigned to evaluate the energy consumption. After this step, the electric drives and the battery pack will be chosen, complying with the size constraints and performance requirements.
Before the analysis of results and of the model, this work includes an introduction to the problem.
Chapter 2 is a detailed study of Load-Sensing architecture, describing the most suited components and configurations from the energy point of view.
Chapter 3 presents a short description of the machine, the analysis of the hydraulic circuit components, together with their functions and their technical features, with the use of manufactures manuals and datasheets.
In chapter 4, an overview of the software will follow, with a brief description of MATLAB–Simulink control logic and its resolving methods.
In chapter 5, a description of the Simscape blocks used for the modelling will be presented, as well as the logic and the necessary utilized blocks to model the component of the real circuit. In Appendice there will be reported the various block settings.
Chapter 6 introduces hybrid vehicle, the market architecture and their advantages and disadvantages. In the end of this chapter, the chosen configuration of the crane will be described.
Chapter 7 is dedicated to the electric drives. After an overview on the main electric machines used for propulsion, the choice for the electric motors and inverter will be explained.
Chapter 8 shows the modelling of the electric motor and drive and the integration with the hydraulic circuit model, in order to create the complete model of the hybrid crane.
Chapter 9 presents the simulations, the typical work cycle of the machine and the energy consumption.
Chapter 10 summarises the state-of-the-art battery technology and will follow the battery pack sizing.
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