Riduzione dei consumi di un caricatore idraulico con il miglioramento dei dispositivi di bordo e la logica di controllo

The electrification of the transportation sector is primarily driven by environmental concerns, including the reduction of greenhouse gas emissions and air pollution. While the automotive industry has embraced electrification, the off-highway sector is still in the early stages of this transition. This shift presents both opportunities and challenges. It facilitates the development of innovative off-highway architectures and technologies, potentially leading to entirely new machinery and market entrants. However, the high development costs associated with electrification pose significant hurdles, particularly for small and medium-sized enterprises (SMEs). SMEs often rely on integrating and tuning off-the-shelf components, limiting their ability to optimize designs like larger manufacturers who can leverage economies of scale and custom-designed components. Modeling and simulation tools, such as Simscape, can significantly aid in system-level design by enabling a shift from static to dynamic analysis. This dynamic approach is crucial for evaluating the potential benefits of electrification, including improved energy efficiency, increased productivity, and enhanced operational forecasting. This thesis investigates the electrification of non-road mobile machinery (NRMM) and explores various control strategies for electro-hydraulic sys- tems. A case study focuses on an electrified material handler, encompassing a detailed description of the machine and the development of a comprehensive model using MATLAB/Simulink/Simscape. The typical operating characteristics of the machine are also analyzed. Three novel control strategies aimed at improving energy efficiency compared to the standard control approach are presented. The first strategy maximizes pump displacement to enhance pump efficiency. The second strategy optimizes the operating point of the pump-motor combination. The third strategy builds upon the second by incorporating hydraulic system regulation, providing additional degrees of freedom to override operator commands for further efficiency gains. Simulation results based on the developed model demonstrate that all three proposed strategies effectively increase system efficiency. Notably, the third strategy, which integrates hydraulic system regulation, achieves the most significant efficiency improvement, exceeding 10% in all the tested scenarios. To enhance clarity, distinct schematic representations are employed to visually differentiate between the proposed control strategies. For further clarification, a legend for these schematics is provided in Appendix A. Additionally, the appendix includes a comprehensive list of acronyms used throughout the thesis.

L’elettrificazione del settore dei trasporti è principalmente guidata da preoccupazioni ambientali, tra cui la riduzione delle emissioni di gas a effetto serra e dell’inquinamento atmosferico. Mentre l’industria automobilistica ha abbracciato l’elettrificazione, il settore off-highway è ancora nelle prime fasi di questa transizione. Questo cambiamento presenta sia opportunità che sfide. Infatti, da un lato facilita lo sviluppo di architetture e tecnologie off-highway innovative, potenzialmente portando a macchinari e operatori di mercato completamente nuovi. Dall’altro, gli elevati costi di sviluppo associati all’elettrificazione rappresentano ostacoli significativi, in particolare per le piccole e medie imprese (PMI). Le PMI spesso integrano e mettono a punto componenti standard per i loro macchinari, limitando però la loro capacità di ottimizzare i progetti, al contrario, i grandi produttori possono avvalersi di componenti progettati su misura sfruttando le economie di scala per rientrare dei maggiori costi di sviluppo. Gli strumenti di modellazione e simulazione, come Simscape, possono aiutare significativamente nella progettazione a livello di sistema, consentendo il passaggio da un’analisi statica a una dinamica. Questo approccio dinamico è cruciale per valutare i potenziali vantaggi ell’elettrificazione, tra cui una maggiore efficienza energetica e una maggiore produttività. Questa tesi indaga l’elettrificazione dei macchinari mobili non stradali ed esplora varie strategie di controllo per i sistemi elettroidraulici. Il caso studio è un caricatore elettrificato. Quindi, dopo una descrizione di tale macchinario e del suo modello complessivo realizzato tramite ATLAB/Simulink/Simscape, vengono analizzate le caratteristiche operative tipiche della macchina. Per tale macchinario vengono presentate tre nuove strategie di controllo volte a migliorare l’efficienza energetica rispetto alla metodologia standard implementata. La prima strategia massimizza la cilindrata della pompa per migliorare l’efficienza della pompa. La seconda strategia ottimizza il punto di funzionamento della combinazione pompa-motore. La terza strategia amplia la seconda incorporando una regolazione del sistema idraulico, fornendo così ulteriori gradi di libertà per sovrascrivere i comandi dell’operatore, in modo da aumentare l’efficienza complessiva. I risultati della simulazione dimostrano che tutte e tre le strategie proposte aumentano l’efficienza del sistema. In particolare, la terza strategia, che integra la regolazione del sistema idraulico, ottiene il miglioramento dell’efficienza più significativo, superiore al 10% in tutti gli scenari testati. Per facilitare la comprensione delle strategie di controllo proposte, nella tesi vengono utilizzate rappresentazioni schematiche che aiutano a distinguerne le differenze. Per ulteriori chiarimenti, una legenda di questi schemi è fornita nell’Appendice A. Inoltre, l’appendice include un elenco completo delle sigle utilizzate in tutta la tesi.