Gestione del powertrain di un motociclo ibrido a propulsione umana ed elettrica : un approccio a catena virtuale

The ongoing debate on sustainable mobility includes among its main topics air pollution and traffic congestion, particularly critical in urban areas. One of the most promising development areas to tackle both problems is pedal-assisted bicycles or, more generally, hybrid human-electric powered two-wheeled vehicles, which have almost zero polluting emissions and a minimal impact on traffic. Such vehicles feature an electric motor powered by a dedicated battery and a pair of pedals operated by the rider. In commercially available vehicles the mechanical power supplied by the rider is transmitted directly to the driving wheel by means of a mechanical transmission, while the engine provides additional assistance torque. The prototype at the center of the thesis work features an innovative architecture, which introduces the possibility to switch from a mechanical transmission to an electric transmission, in which the mechanical power supplied by the rider is converted and electrically transmitted by a generator to the engine or the battery. The electric transmission opens up the possibility of independently controlling the vehicle and pedaling dynamics, no longer mechanically coupled, but at the same time poses unprecedented challenges in managing power flows. The control scheme developed and implemented on the prototype allows to control the switching between mechanical and electrical transmission and to effectively manage the vehicle dynamics and the rider's pedaling experience according to a control strategy referred to as virtual chain. The scheme requires that the generator is controlled to regulate cadence and requires an estimator for the pedal torque. To ensure a pleasant and natural pedaling experience, the generator is also controlled to compensate for internal friction. The validity of the proposed solution and the effectiveness of the implementation have been verified experimentally.

L'attuale dibattito sulla mobilità sostenibile vede tra i principali temi quelli dell'inquinamento atmosferico e della congestione del traffico, particolarmente critici nelle aree urbane. Uno degli ambiti di sviluppo più promettenti per affrontare entrambe le problematiche è quello delle biciclette a pedalata assistita o, più in generale, dei veicoli a due ruote a propulsione ibrida umana ed elettrica, che presentano emissioni inquinanti pressoché nulle e un impatto sul traffico minimo. Tali veicoli sono caratterizzati da un motore elettrico alimentato da un'apposita batteria e da una coppia di pedali azionati dal ciclista. Nei veicoli attualmente disponibili in commercio, la potenza meccanica immessa dal ciclista viene trasmessa direttamente alla ruota motrice mediante una trasmissione meccanica, mentre il motore fornisce una coppia di assistenza addizionale. Il prototipo al centro del lavoro di tesi presenta un'architettura innovativa, che introduce la possibilità di passare dalla trasmissione meccanica a una trasmissione di tipo elettrico, in cui la potenza meccanica immessa dal ciclista è convertita e trasmessa elettricamente da un generatore al motore o alla batteria. La trasmissione elettrica apre alla possibilità di controllare in modo indipendente la dinamica del veicolo e quella di pedalata, non più vincolate meccanicamente, ma pone al contempo sfide inedite nella gestione dei flussi di potenza. Lo schema di controllo sviluppato nella trattazione e implementato sul prototipo permette di controllare la commutazione tra la trasmissione meccanica e quella elettrica, e di gestire efficacemente la dinamica di veicolo e l'esperienza di pedalata del ciclista secondo una strategia di controllo detta a catena virtuale. Lo schema richiede che il generatore sia regolato per attuare un controllo di cadenza e necessita uno stimatore della coppia al pedale. Per garantire un'esperienza di pedalata gradevole e naturale il generatore è inoltre controllato per compensare gli attriti interni. La validità della soluzione proposta e l'efficacia dell'implementazione sono state verificate sperimentalmente.