Controllo dell'interazione utente-veicolo e gestione energetica in un motociclo a trazione ibrida uomo-elettrica

The mobility field is destined to undergo a change in the coming years to reduce greenhouse gas emissions and stem the effects of global warming as much as possible. Furthermore, within urban areas, the presence of a large number of people leads to an increase in road congestion due to moving or stationary vehicles. For these reasons, one of the fastest-growing sectors is represented by EPACs (Electrically Power-Assisted Cycles), lighter and smaller than scooters and characterized by zero emissions. The prototype covered in this thesis has an innovative architecture compared to those of the traditional e-bikes as it allows the use of both mechanical and electric transmission. In fact, in EPACs, the assistance torque is mechanically added to the cyclist one, through the chain. In the considered prototype, in addition to the mechanical transmission, it is possible to use the generator, mounted on the pedals, to convert the power introduced by the cyclist into electrical power, and subsequently transfer it to the battery or to the motor. The ability to manage power flows in such an innovative way involves the development of a generator control system that must also take into account the interaction with the driver. The control scheme developed allows to improve the cycling experience, both when the vehicle operates with mechanical transmission and when it operates with electric transmission, introducing an ad hoc architecture for generator control. This architecture not only allows to combine two concurrent regulators, one for cadence and one for current, but also to cope with the windup phenomenon that affects the deactivated controller. The control system created has also been experimentally validated. Finally, to increase the range of the vehicle, a battery state of charge control system has been designed and tested in simulation, tailor-made for the given prototype in order to exploit the potential offered by its particular architecture.

Il settore della mobilità è destinato a subire un mutamento nei prossimi anni per ridurre le emissioni di gas serra e arginare il più possibile gli effetti del surriscaldamento globale. Inoltre, nelle aree urbane la presenza di un numero elevato di persone comporta un incremento delle congestioni stradali dovute a veicoli in movimento o fermi. Per questi motivi uno dei settori in maggiore espansione è rappresentato dalle biciclette a pedalata assistita, di peso e dimensioni ridotte rispetto agli scooter e caratterizzate da emissioni nulle. Il prototipo trattato in questo elaborato di tesi presenta un'architettura innovativa rispetto a quelle delle classiche bici a pedalata assistita che permette di utilizzare sia la trasmissione meccanica che quella elettrica. Nelle bici a pedalata assistita, infatti, la coppia di assistenza si somma meccanicamente a quella del ciclista, attraverso la catena. Nel prototipo considerato, oltre alla trasmissione meccanica, è possibile utilizzare il generatore, posto in corrispondenza dei pedali, per convertire la potenza introdotta dal ciclista in potenza elettrica, e successivamente trasferirla alla batteria o al motore. La possibilità di gestire i flussi di potenza in maniera del tutto innovativa comporta lo sviluppo di un sistema di controllo del generatore che deve tener conto anche dell'interazione col conducente. Lo schema di controllo sviluppato permette di migliorare l'esperienza di pedalata, sia nel momento in cui il veicolo opera con trasmissione meccanica che nel momento in cui opera con trasmissione elettrica, introducendo un'architettura ad hoc per il controllo di generatore. Tale architettura non solo permette di combinare due regolatori concorrenti, uno di cadenza e uno di corrente, ma anche di far fronte al fenomeno di windup nel regolatore disattivato. Il sistema di controllo realizzato è stato anche validato sperimentalmente. Infine, per incrementare l'autonomia del veicolo, è stato progettato e testato in simulazione un sistema di controllo dello stato di carica della batteria, studiato su misura per il prototipo in esame in modo da sfruttare le potenzialità offerte dalla sua particolare architettura.