Riassunto analitico
La presente tesi ha l’obiettivo di descrivere il lavoro eseguito presso l’azienda Argo Tractors S.p.A. nella quale è aperto un progetto volto allo studio dell’elettrificazione di una trattrice agricola da frutteto.
Essa presenta il suo normale layout base di una macchina specialistica, in cui al tradizionale motore termico Diesel viene affiancato un motore elettrico, con relativo inverter e batteria ad alto voltaggio.
La trattrice prevede la funzionalità in modalità ibrida, perciò il motore elettrico è dotato di un opportuno circuito di raffreddamento ad acqua e glicole, provvisto di una pompa elettroidraulica.
Lo studio viene eseguito in quanto i motori elettrici, le batterie e l’elettronica di potenza risultano alquanto suscettibili alla temperatura di utilizzo ed è consigliabile che essi si trovino a lavorare nel lungo periodo entro specifici range, data la loro delicatezza.
Perciò lo scopo principale della tesi in questione basa le sue radici sullo studio del circuito di raffreddamento preinstallato, il quale prevede il raffreddamento del solo motore elettrico, in quanto il suo inverter e la relativa batteria non risultano raffreddati dal circuito, nella configurazione attuale alla realizzazione del progetto di tesi.
Il lavoro consiste nella validazione di tale sistema di raffreddamento già installato, mediante l’utilizzo dei software Matlab e Simulink. Tale validazione prevede la modellazione virtuale del circuito di raffreddamento, sia dal punto di vista fluidodinamico, che dal punto di vista termico.
La porzione di modellazione fluidodinamica ha l’obiettivo di ottenere i valori di portata e pressione caratterizzanti il circuito in diverse condizioni operative, considerando dati in input come il layout del sistema, le caratteristiche dei diversi componenti, le condizioni ambientali, ecc.., attraverso l’interazione di diversi ambienti di lavoro Matlab e Simulink.
Dall’altra parte, la porzione di modellazione termica si pone l’obiettivo di determinare le temperature ed il calore scambiato nei diversi punti del circuito, definite le condizioni operative del sistema e le resistenze termiche associate ai vari componenti. Anch’essa risulta realizzata all’interno di ambienti di lavoro Matlab e Simulink.
Una volta ricreato il circuito di raffreddamento all’interno dei software dedicati, sia dal punto di vista fluidodinamico che termico, viene realizzata una serie di test della trattrice opportunamente strumentata, volti ad ottenere i valori di pressione e temperatura a cui il circuito lavora in determinate condizioni operative, rilevati in punti salienti del circuito di raffreddamento, mediante l’uso di trasduttori di pressione e termocoppie.
I risultati ottenuti dai test vengono post processati, eseguendo inoltre un’analisi di previsione sul comportamento delle temperature nel circuito nel lungo termine, utilizzando l’interazione dei software Matlab ed Excel.
Ottenuti i risultati dei test, essi vengono utilizzati per eseguire la convergenza dei modelli Matlab-Simulink fluidodinamico e termico ai valori reali dei parametri salienti. La convergenza ha lo scopo di validare il circuito di raffreddamento montato sulla macchina e di ottenere modelli software finali capaci di restituire valori dei parametri fondamentali, basati su condizioni operative del sistema imposte, sia dal punto di vista fluidodinamico che termico.
I modelli software finali si pongono come saldo punto di partenza per studi futuri, presentandosi come strumento per accorciare le tempistiche in quanto essi permettono l’ottenimento di determinati dati di output, senza che essi vengano rilevati attraverso ulteriori test della trattrice. Inoltre essi forniscono un aiuto all’ottimizzazione del circuito, evidenziando le criticità e proponendone possibili soluzioni, in quanto la modularità caratterizzante i modelli software permette una facile manipolazione.
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Abstract
The following thesis has the aim to describe the work accomplished at Argo Tractors S.p.A. where there’s an open project regarding the study about the electrification of an hybrid specialty tractor.
The tractor is characterized by the basic layout of a specialist machine, where the traditional Diesel engine is flanked by an electric motor, with its relative inverter and an high voltage battery.
The hybrid function is provided by the tractor, so the electric motor is equipped with a water-glycol cooling circuit and the relative electro-hydraulic pump.
The study is performed as electric motors, batteries and power electronics are very susceptible to working temperatures and it’s better for them to work between certain ranges during long periods of time, due to their delicacy.
So the main aim of the following thesis is based on the study of the pre-installed cooling circuit which allows cooling of the electric motor only, because the relative inverter and battery are not included inside the circuit during the writing of this thesis project.
The work consist in the pre-installed cooling system validation, using Matlab and Simulink software. This validation involves the cooling system virtual modelling, on both the fluid dynamics and the thermal point of view.
The fluid dynamics portion of the modelling has the aim to obtain the flow rate and pressure values characterizing the circuit in different operative conditions, considering input data as the circuit layout, the different components features, the ambient conditions, ecc…, through the interaction between different Matlab and Simulink workspaces.
On the other hand, the thermal modelling portion has the aim to determine the temperatures and the heat rate exchanged along different circuit points, given the system operative conditions, and the thermal resistances associated to the various components. This portion is also created inside Matlab and Simulink workspaces.
Once the cooling circuit is recreated inside the dedicated software, both on fluid dynamics and thermal point of view, a series of test is carried out on the suitably instrumented machine, with the aim to obtain pressure and temperature values at which the circuit works during specific operative conditions, measured in specific points along the circuit, exploiting pressure and temperature transducers.
The results of the tests are post processed, also performing a prevision analysis of the temperatures behavior in the long term along the circuit, using the Matlab and Excel interaction.
Then the tests results are used to achieve the convergence of the fluid dynamics and thermal Matlab-Simulink models to the main real values. The convergence serves the purpose to validate the circuit installed on the machine and to obtain final software models capable of returning fundamental parameters values, based on system imposed conditions, both from the fluid dynamics and thermal point of view.
The final models stand as the starting point for future studies, being a tool capable of shorten timings because output values can be obtained, without further tests on the tractor.
Furthermore they help the circuit optimization, highlighting critical issues and proposing solutions, this because the high modularity of software models allows an easy manipulation.
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