Cosa studiare per progettare un motore?

Rubrica: Curiosità tecnica da corsa | Le domande dei lettori

Titolo o argomento: La progettazione dei motori

Rispondendo a: Kevin

Kevin scrive: “…Sono un giovane disegnatore meccanico con la smisurata passione per le automobili, in particolare tutto quanto riguarda il motore.
Con questa mail Le vorrei gentilmente chiedere di indirizzarmi verso la lettura e lo studio di testi inerenti a tutto ciò che contempla l’universo del motorismo, della progettazione di motori e del loro disegno”.

Buongiorno Sig. Kevin,
la ringrazio per avermi posto la domanda. I libri sono preziosi e allo stesso tempo pericolosi (nel senso che andrebbero studiati sempre con senso critico e cercando riscontri). Nel caso del motorismo, ad esempio, i libri forniscono generalmente le basi per “i conti della serva” come vengono chiamati in gergo.

I calcoli della serva sono i calcoli di base per avere un’idea generale di che motore si ha intenzione di progettare e di cosa si potrebbe teoricamente ottenere. Il problema, però, è che nella realtà è molto difficile che si progetti un motore partendo da uno o più libri. Quel che permette la progettazione di un motore è generalmente l’esperienza sul campo fatta (in principio) di una serie di errori e rotture che si concludono con il raggiungimento (in seguito) di progetti equilibrati che rappresentano sempre il risultato di “compromessi” e di “aggiustamenti” della teoria.

Con gli anni ci si accorge ben presto che si consultano più i propri dati, i propri appunti, o quelli forniti dall’azienda per cui si lavora, piuttosto che i libri di testo. In altri casi si consultano dati che si ottengono da aziende partner con le quali si è collaborato. Ma è veramente molto difficile che si inizi e concluda un progetto di un motore operando sui libri perché si rischia, come nel caso di alcuni amici che hanno preso parte al progetto della “Formula Student”, di realizzare oggetti che funzionano male o non funzionano affatto a causa di schemi di ragionamento “rigidi”. Pur con tutta la passione e la buona fede possibile.

Per i calcoli della serva le consiglio un qualunque testo di motori presente nelle librerie specializzate che trova con estrema facilità su qualunque motore di ricerca. Per una visione più chiara della meccanica, dei materiali, dei meccanismi le consiglio di cercare testi di Ingegneria Meccanica o di Ingegneria dell’Autoveicolo (per i quali si deve sempre tener conto del carattere matematico-analitico con cui sono scritti, proprio al fine di estendere la concezione del perché qualcosa, da un punto di vista matematico, funziona in un modo preciso). Per un’estensione di questi temi al fine di realizzare un primo progetto il mio modesto consiglio è di buttarsi, costruire e rompere.

E’ necessario poi completare il quadro con lo studio delle lavorazioni meccaniche necessarie ad ottenere i pezzi che si progettano. Conoscere come si realizza un motore è utile a rendersi conto di una moltitudine di cose in progettazione e ad andare d’accordo con chi opera in officina (figure che, nell’ambito della passione, non nell’industria, possono corrispondere con la stessa persona). Il monocilindrico è piacevolissimo per iniziare, permette di approcciare ogni problema dall’unità e, solo in seguito, estendere ogni dettaglio verso maggiori “complicazioni” (senza contare poi che risulta anche molto meno dispendioso da testare, ed eventualmente rompere, nei modi più svariati).

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Momenti di Motorismo – Parte I: Il manovellismo

Rubrica: Momenti di Motorismo

Titolo o argomento: Brevi sfumature per gli appassionati di motori a combustione interna

L’altro lato dei motori, quello che raramente si vede, presentato in questa occasione tramite sequenze integrali dedicate esclusivamente agli appassionati della tecnica. Sequenze il cui audio puro d’officina è stato appositamente lasciato inalterato. Sequenze nelle quali i più attenti potranno cogliere sfumature e apprezzare numerosi particolari; il video ne mostra molti ma, ovviamente, non tutti…

In questa parte viene proposto l’assemblaggio del manovellismo del motore N5F della Ford Escort RS Cosworth soffermandosi sulle fasi cruciali, lasciando che lo spettatore possa rendersi conto dei tempi, dei metodi e della cura con cui un motorista esperto si muove nel suo ambiente con i suoi strumenti e la sua esperienza.

Continua…

Ringrazio per la preziosa collaborazione i miei amici e colleghi motoristi Giorgio e Peppe, nonché l’officina meccanica di precisione operante, da oltre 40 anni, nel campo delle rettifiche di motori stradali, da competizione ed industriali:

Ancona Rettifiche
S.s. 16 Adriatica Km 309,5
60027 Osimo (Ancona)
Tel: +39 071.710.82.10

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Hacking della trasmissione di potenza di un drone consumer

Rubrica: Hackerare l’hardware dei droni

Titolo o argomento: Modificare la trasmissione di un semplice drone di tipo consumer

I droni di tipo consumer offrono vantaggi non indifferenti quando si desidera approcciare il volo per la prima volta; essi permettono di sostenere costi tutto sommato contenuti, di imparare le tecniche di pilotaggio senza timore di fare danni consistenti e costosi, si riparano facilmente (con spese minime), si modificano facilmente e danno modo di capire se ciò a cui ci si sta avvicinando assomiglia più ad un temporale estivo o ad una passione da coltivare o, perché no, ad una interessante utilità per il lavoro (magari passando gradualmente ad un hardware più sofisticato o, come nel nostro caso, a costruire in autonomia i droni più idonei alle proprie esigenze con affascinanti personalizzazioni che vedremo nei prossimi articoli).

Tuttavia i droni a basso costo presentano un’ovvio svantaggio: la bassa qualità, in special modo dei materiali e dell’assemblaggio. In molti casi, però, esistono semplici metodi per risolvere la maggior parte dei problemi comuni.

Uno di questi è rappresentato dallo slittamento degli ingranaggi della trasmissione. Nei droni economici tali ingranaggi sono montati per interferenza sull’albero di ogni motore elettrico. Questo significa che, per contenere i costi, gli alberi dei motori elettrici non sono dotati di scanalature/calettamenti utili ad assicurare l’accoppiamento albero – pignone (nel caso la trasmissione sia dotata di un riduttore) o direttamente l’elica sull’albero (nel caso la trasmissione sia diretta).

Con le forti accelerazioni, le vibrazioni e l’uso continuativo, accade facilmente che gli ingranaggi si scaldino riducendo l’interferenza iniziale dell’accoppiamento albero – ingranaggio. Di conseguenza l’ingranaggio non riesce a trasmettere il moto dell’albero al resto della trasmissione, andando così in folle. L’elica riduce drasticamente il numero di giri ed il drone perde stabilità (specie nel caso dei semplici quadricotteri). Il giroscopio rileva uno sbilanciamento nell’assetto di volo ma i restanti motori non riescono a bilanciare l’azione se il pignone si è dilatato oltre un certo limite o se, una precedente scaldata, lo ha sfilato non rendendolo più in presa con la corona.

In questo caso ci si deve fermare spesso per aspettare che le temperature si abbassino e, sovente, è necessario smontare parte della scocca per rimettere l’ingranaggio in posizione. Un buon rimedio al problema è rappresentato dall’utilizzo di una goccia di frenafiletti (vedi ad esempio la Loctite 270) da far colare, magari con l’ausilio di un ago, dentro il foro del piccolo pignone prima che questo venga reinserito sull’albero di trasmissione del motore elettrico. Il frenafiletti, a differenza delle normali colle, offre una particolare resistenza alle vibrazioni, resiste fino a temperature di circa 180°C (ben oltre quelle in gioco sulla trasmissione di un drone) e si asciuga in circa 10 minuti. Un importante accorgimento consiste nel tenere il motore con l’albero orientato verso il basso quando si va a montare il pignone per evitare che il frenafiletti possa colare all’interno del motore stesso e “bloccarlo”. Pochi minuti di pazienza, una verifica di rotazione fluida dell’albero ed è possibile rimontare tutto, questa volta in maniera solidale e affidabile nel tempo, con un costo esiguo.

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In preparazione…

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Motori con architettura Boxer o Flat?

Rubrica: Curiosità tecnica da corsa | Le domande dei lettori

Titolo o argomento: Architetture a confronto per la soluzione a cilindri contrapposti
Rispondendo a: Giacomo

Giacomo scrive: Mi stavo chiedendo come mai, benchè esistano molti V12 Flat (spesso erroneamente chiamati Boxer) ad alte prestazioni, per le competizioni si preferisca la “configurazione” dell’albero motore “non-boxer”.

La differenza tra Boxer e Flat, soluzioni che prevedono entrambe la disposizione dei cilindri contrapposti (ovvero con un angolo tra le bancate di 180°), sta nello schema dell’albero a gomiti. Più precisamente nel numero e nella disposizione dei perni di biella, nonché dei relativi bracci di manovella, che si ripercuotono su importanti caratteristiche del motore. Differenze che sono tutt’altro che trascurabili. Sul motore di tipo Boxer ogni biella ha, sull’albero motore, il suo perno di biella corrispondente (i pistoni si muovono l’uno in direzione opposta all’altro), sul motore di tipo Flat le bielle sono ancorate a coppie sullo stesso perno di biella (i pistoni si muovono nella stessa direzione… i cavalli scalpitano).

Questa differenza influisce in maniera non trascurabile sulle sollecitazioni (torsione, flessione, taglio) cui è sottoposto l’albero motore. Quello della soluzione Boxer è più lungo dovendo disporre del 50% in più di bracci di manovella necessari a sostenere i perni di biella singoli. Un motore 12 cilindri a V di 180° (così definisce L’Ingegner Forghieri il suo motore 12 cilindri Flat) dispone di 12 bracci di manovella, ogni coppia di bracci sostiene un perno di biella dove sono vincolate due bielle. Lo stesso motore, se adottasse lo schema Boxer, disporrebbe di 18 bracci di manovella. Questi andrebbero ad aumentare significativamente non solo la lunghezza dell’albero a gomiti, e quindi dell’intero motore, ma anche le masse in gioco.

Il tutto comporta notevoli difficoltà in fase di progettazione perché un motore più lungo pesa di più (a parità di tutti gli altri dimensionamenti), ingombra di più e costa di più. Ne segue che, nelle competizioni, anche se vi è una sospetta maggiore fragilità della soluzione Flat, l’ideale sia senz’altro proprio questa soluzione per via della minor massa e del minore ingombro. Questi fattori rappresentano la strada ideale per incrementare le prestazioni del propulsore (minori masse in rotazione significa maggiore numero di giri raggiungibile e conseguente maggiore potenza sviluppabile) e agevolare molto il lavoro cui saranno sottoposti telaio, sospensioni e gomme, da cui dipenderà poi la conseguente guidabilità del mezzo.

Ne segue che la soluzione Flat, più estrema, è più idonea proprio in un ambiente come quello delle corse dove gli organi sottoposti a sollecitazioni esasperate sono ripetutamente controllati e sostituiti in quanto deve essere soddisfatta principalmente l’esigenza della prestazione, mentre la durata la si tiene sì in considerazione espressamente in relazione all’impiego agonistico.

Gli schemi di tipo Flat sono stati impiegati, per quanto concerne il mondo del Motorsport, su motori 12 cilindri contrapposti come quelli delle Ferrari 312B e della Porsche 917/30 che, nel primo caso, ispirarono poi versioni stradali con omologhi schemi (si vedano le Ferrari 512 BB e TR), mentre nel secondo caso furono abbandonati a favore di unità più compatte probabilmente anche con l’idea di sviluppare conoscenze approfondite in diversi ambiti degli schemi motoristici e generare una propria personalità aziendale (un brand).

Nonostante ciò la soluzione a cilindri contrapposti non ha trovato larga diffusione perché ad un vantaggioso abbassamento del baricentro corrispondono pecche non trascurabili come le complicazioni circa l’alloggiamento del motore nel telaio (che implica sacrifici nella realizzazione dello schema delle sospensioni), nonché ulteriori complicazioni per il passaggio dei collettori e per diversi interventi di manutenzione che possono richiedere anche lo smontaggio dell’intero propulsore dal suo vano. Tali difficoltà aumentano tanto più quanto più è alta la cilindrata ed il numero di cilindri.

In sostanza il progettista, davanti alla scelta dello schema motore, si chiederà come dovrà essere sollecitato il suo albero motore (principalmente flessione e torsione ma anche taglio), come soddisferà le sue necessità circa l’equilibramento (forze centrifughe, forze alterne del 1° ordine, coppie dovute alle forze centrifughe, coppie dovute alle forze alterne del 1° ordine, forze alterne del 2° ordine e coppie dovute alle forze alterne del 2° ordine) e come desidererà che la coppia venga erogata, osservando quindi anche l’ordine di accensione nei cilindri (che influiscono sulla regolarità di funzionamento del motore nonché sul caratteristico suono emesso, sul suo modo di respirare e sul suo modo di vibrare).

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Motori con architettura Boxer o Flat?
Motori con architettura Boxer oppure a V?

 Motori a cilindri contrapposti - Architettura Boxer

Motori a cilindri contrapposti - Architettura Flat

Intervento di assistenza tecnica sull'Electrolux Trilobite 2.0 – Parte 1

Rubrica: Robotica

Titolo o argomento: Intervento sui motori stepper dell’Electrolux Trilobite 2.0

L’Electrolux Trilobite 2.0 rappresenta il Robot aspirapolvere per eccellenza, si tratta di un prodotto avveniristico se consideriamo le caratteristiche generali del progetto e, soprattutto, se pensiamo che è stato immesso sul mercato circa 15 anni prima dei prodotti della concorrenza (estremamente raro che accada).

Oggi un bambino con un LEGO Mindstorms può fare di meglio, ovvio. Un ragazzo neodiplomato, mediante schede quali Arduino o le roboRIO e myRIO della National Instruments può persino ambire a costruire un prodotto realmente funzionante e soggetto a numerosi stadi di sviluppo nel tempo (magari con progetti “aperti” ovvero i famosi Open Source).

Le pecche del Trilobite 2.0 sono rappresentate dal costo estremamente elevato che aveva all’epoca (circa 1600,00 Euro nel 2002, scesi poi intorno ai 1200,00 Euro, se non vado errato, negli anni a seguire) e dall’assistenza tecnica disponibile solo in Francia. Il problema del costo è stato risolto con il suo successore, il Motionsense (ERV5210TG), andando in contro alle nuove esigenze di mercato.

Per l’assistenza tecnica invece ci siamo attrezzati di teorie meccatroniche e tanta, tanta pazienza (grazie al trasferimento tecnologico il servizio ora è anche offerto su www.berardi-store.eu). Questo ha reso possibile intervenire su una buona parte degli errori che si possono verificare durante la “vita” del robot, partendo da banali problemi riguardanti i sensori di contatto, quelli ad infrarossi e quelli ad ultrasuoni, passando per problemi di alimentazione, la cura delle celle, la loro manutenzione, l’eventuale sostituzione, il controllo del sistema di ricarica, continuando poi con il sistema di aspirazione e filtraggio, fino agli interventi sui motori stepper, ed i relativi encoder, che azionano le ruote, ne riconoscono la posizione e permettono al robot, dialogando con l’unità centrale, di sapere in ogni momento come è posizionato (rispetto alla base di partenza e rispetto agli ostacoli che sta incontrando sul suo percorso).

Nella galleria fotografica esposta di seguito uno splendido Trilobite di circa 15 anni al quale, per mio errore, ho danneggiato un motore stepper, quello della ruota sinistra. Per anni e anni ho lasciato un espositore a terra sul quale lui puntualmente saliva, anche con un certo impegno… e dai e dai ho bruciato un motore. Ma potete immaginarvelo come sono gli studi e i laboratori dei secchioni, no?!

L’intervento per aprire l’intero Robot e verificare la provenienza dell’errore che lo ha fermato, nonché l’entità del danno, non è proprio una passeggiata. L’errore è sempre dietro l’angolo e si rischia di danneggiare facilmente parti molto costose. Anche i ricambi iniziano ad essere meno disponibili. I soli motori stepper ad esempio non sono disponibili e viene offerta solo la possibilità di acquistare l’intero set ruota comprensivo anche di sospensione, trasmissione, stepper ed encoder. Avere però numerose aziende nel mondo con le quali si dialoga per aggiornamenti tecnologici o per ordinare componentistica utile ai nostri prototipi offre qualche vantaggio, come vedremo nel seguito.

Continua…
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Intervento di assistenza tecnica sull’Electrolux Trilobite – Parte 1
Intervento di assistenza tecnica sull’Electrolux Trilobite – Parte 2

Electrolux Trilobite smontato pezzo per pezzo Elettronica Electrolux Trilobite Display Electrolux trilobite e ruota motrice sinistra dotata di stepper e trasmissione Suggestiva vista del robot aspirapolvere Electrolux TrilobiteScocca superiore Electrolux Trilobite Dettagli Electrolux Trilobite Elettronica in primo piano - Electrolux Trilobite Primo piano elettronica Electrolux Trilobite Componenti Electrolux Trilobite Componenti Electrolux Trilobite - Cover e pacchi batterie Vista dal retro dei sensori ad infrarossi e ad ultrasuoni Electrolux Trilobite durante l'assistenza tecnica

Diagnosi anomalia e intervento di ripristino su un pacco batterie agli Ioni di Litio ad elevate prestazioni per impiego nel settore Automotive & Motorsport. Parte 3 – Soluzione definitiva

Rubrica: Strumenti per il Lab

Titolo o argomento: Rilievo e correzione di anomalie (quando possibile)

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Con la scheda di carica dedicata per le singole celle Li-Poly, connessa all’alimentatore da laboratorio, è stato possibile raggiungere una piena carica dei due banchi di celle che risultavano fuori tensione. Empiricamente è possibile rendersi conto che le celle riescono a sopportare “qualche” maltrattamento “oltre i limiti” se il periodo di tempo non è prolungato, se la situazione non si ripete un numero eccessivo di volte e se il pacco batterie non viene utilizzato durante la situazione anomala. L’operazione di ripristino è stata condotta con la strumentazione dedicata in modo preciso e monitorato verificando non solo le tensioni ma la quantità di cariche effettivamente introducibili nelle celle che hanno subito lo stress da sottotensione. Una volta raggiunte le 10 tensioni massime equalizzate, con uno sbilanciamento contenuto in pochi millivolt, è stato di nuovo possibile utilizzare il pacco batterie, scaricarlo e ricaricarlo con il normale caricatore avendo l’accortezza di monitorare tutti i passaggi dei diversi stati di utilizzo e verificare che ogni cosa fosse tornata al proprio posto.

Ora che la condizione per il pacco è fuori dalla situazione di pericolo risulta opportuno segnalare al costruttore della scheda BMS il consumo anomalo che l’elettronica esercita sulla 7a e 10a fila di celle, problema che però si verifica esclusivamente lasciando acceso  il sistema a pacco inutilizzato. Seguiranno numerosi test per controllare che le celle non abbiano subito una sorta di trauma irreversibile e vadano repentinamente a scaricarsi di nuovo nei settori incriminati.

Durante la fase di carica, se nella serie c’è una cella degradata, ovvero con capacità ridotta, c’è il pericolo che al raggiungimento della carica completa essa sarà soggetta a sovraccarica per tutto il tempo impiegato dalle altre celle a raggiungere anch’esse lo stato di carica completa. Il risultato è un possibile aumento di temperatura e pressione che può danneggiare la cella “traumatizzata”. Durante la scarica, la cella più degradata sarà soggetta ad una profondità di scarica maggiore e tenderà a fallire prima delle altre (fonte ENEA).

La capacità (espressa in Ah, Ampere Ora) è il parametro di riferimento dello stato di attività della cella. Una sua variazione rispetto ai dati di targa offre importanti informazioni riguardo la reale disponibilità di energia ed allo stato di invecchiamento delle celle. Le capacità delle celle che costituiscono un pacco batterie dovrebbero essere simili, questo per evitare un comportamento non uniforme che comporterebbe una distribuzione non omogenea della tensione in ogni cella con diminuzione complessiva delle prestazioni del pacco.

Ci sono molte cause di disequalizzazione delle celle. Uno dei fattori principali è connesso con il principio generale che non tutte le celle sono realmente uguali. Ciò accade per via delle inevitabili tolleranze di produzione. Altri fattori sono la distribuzione di temperatura all’interno del pacco ed il diverso invecchiamento delle celle oppure anomalie che possono verificarsi in seguito ad errori di funzionamento dell’elettronica (come nel caso riportato in questa serie di articoli) che, se protratti nel tempo, possono lasciare segni permamenti. Il tutto si traduce in variazioni nell’impedenza interna, che è il parametro secondo il quale le celle si comportano durante i processi di carica e scarica.

Quando una cella è danneggiata oltre un certo limite, deve essere sostituita l’intera batteria oppure deve essere rimossa la fila di celle in serie che presentano l’anomalia andando così a ridurre la tensione massima raggiungibile. In alternativa le conseguenze sarebbero estremamente costose. La sostituzione della singola cella non risolverebbe il problema poiché le caratteristiche di una cella “fresca” sarebbero abbastanza differenti da quelle delle celle invecchiate e ciò aumenterebbe le possibilità di rottura.

Mediante l’equalizzazione passiva ogni cella (o gruppo di celle in parallelo) ha in parallelo la serie di un resistore e un elemento di commutazione (interruttore). Gli interruttori vengono comandati da una logica di controllo che chiude selettivamente le batterie che hanno raggiunto la carica completa sulle rispettive resistenze: l’intera corrente di carica bypassa le celle completamente cariche e l’energia ad essa associata viene dissipata sulle resistenze, fino a che le celle più deboli, che continuano a caricarsi, raggiungono anch’esse lo stato di carica completa.

I principali fattori di rischio per le batterie, di qualunque tipo esse siano, sono la sovraccarica o la scarica troppo profonda. Il primo fattore può portare alla distruzione della batteria, mentre il secondo può condurre ad una riduzione permanente della capacità massima immagazzinabile ed è proprio questo il parametro che nel nostro caso dobbiamo tenere sotto controllo per sapere se l’anomalia è stata tollerata o se si sono superati i limiti oltre i quali è avvenuto un cambiamento chimico completo e irreversibile.

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Diagnosi anomalia e intervento di ripristino su un pacco batterie Li-Ion. Parte 1 – Rilievo dati
Diagnosi anomalia e intervento di ripristino su un pacco batterie Li-Ion. Parte 2 – Soluzione provvisoria
Diagnosi anomalia e intervento di ripristino su un pacco batterie Li-Ion. Parte 3 – Soluzione definitiva

Connessione alimentatore da laboratorio, abbinato alla scheda dedicata per le celle agli ioni di litio, al singolo banco di celle in serie

Diagnosi anomalia e intervento di ripristino su un pacco batterie agli Ioni di Litio ad elevate prestazioni per impiego nel settore Automotive & Motorsport. Parte 2 – Soluzione temporanea

Rubrica: Strumenti per il Lab

Titolo o argomento: Rilievo e correzione di anomalie (quando possibile)

Questo articolo segue da:
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Non potendo utilizzare il normale caricatore del pacco batterie 40-42 Volt per caricare un solo banco di celle in serie, in quanto da solo corrisponde ad una frazione della tensione totale (in questo caso un decimo), ci siamo dovuti ingegnare in altro modo. Mediante un alimentatore da laboratorio è stato possibile impostare valori di tensione e corrente ideali per una singola fila di celle (nel caso delle Li-Poly, 4,2 Volt e circa 2 Ampere di corrente). Il problema è che le celle agli ioni di litio, a differenza di quelle al piombo o al nichel cadmio, non si possono caricare con una corrente continua ma con una corrente a impulsi.

Per ottenere questo proposito tra l’alimentatore e le celle va interposta una specifica scheda di carica per le celle agli ioni di litio. In attesa dell’arrivo di questa particolare scheda, non potendo la fila di celle numero 7 rimanere a lungo in stato di sottotensione, abbiamo posto rimedio alla situazione utilizzando un alimentatore della LEGO degli anni ’80 che veniva impiegato per i trenini 12 Volt. Questo alimentatore è dotato di un potenziometro il quale, mediante un multimetro, è stato tarato a 4,160-4,180 Volt erogando una corrente di 0,8 Ampere (di meglio non era proprio possibile). L’intervento ha avuto successo, le celle hanno accettato la carica portandosi rapidamente al di fuori della zona di rischio (sottotensione < 2,7 Volt).

La soluzione ovviamente non può ritenersi definitiva ma di puro e semplice tamponamento in attesa dell’arrivo della scheda dedicata per la carica delle singole file di celle li-ion. Un rimedio improbabile ha evitato che le celle permanessero troppo a lungo in uno stato chimicamente sfavorevole. A tensioni basse, infatti, la corrente del collettore può dissolvere il rame nell’elettrolita: ciò formerà delle placche sulle particelle dell’anodo di grafite, le quali inibiranno l’utilizzazione dei materiali attivi e ridurranno le prestazioni e la vita delle celle (fonte ENEA). Il riproporsi per più volte di questi bassi valori di tensione, può condurre alla formazione di dendriti di rame e provocare corto circuiti all’interno delle singole celle.

Di grande aiuto è stata la protezione elettronica da sottotensione che non ha permesso l’utilizzo del pacco in presenza di questa anomalia, nonché l’interfaccia che ci ha permesso di individuare, tramite una comunicazione seriale (RS232 convertita a USB con una seriale virtuale) i settori colpiti dall’anomalia.

La corrente proveniente dal solo alimentatore da laboratorio non è stata accettata dalle celle mentre quella proveniente dall’alimentatore della LEGO sì. E’ da osservare che l’alimentatore da laboratorio ha una ridottissima tensione e corrente di ripple (il residuo di alternata presente nella tensione e corrente continua) mentre l’alimentatore LEGO non presentava valori così puri di tensione e corrente continua e, inoltre, i valori di tensione oscillavano fortemente andando quasi a simulare degli impulsi (discorso che approfondiremo debitamente in seguito).

Continua…

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Alimentatore LEGO 0-12 Volt

Connessione alimentatore LEGO al singolo banco di celle in serie Connessione alimentatore LEGO al singolo banco di celle in serie

Diagnosi anomalia e intervento di ripristino su un pacco batterie agli Ioni di Litio ad elevate prestazioni per impiego nel settore Automotive & Motorsport. Parte 1 – Rilievo dati

Rubrica: Strumenti per il Lab

Titolo o argomento: Rilievo e correzione di anomalie (quando possibile)

Anche l’elettronica più sofisticata alle volte fa cilecca e, nei casi che meno immagineremmo sono spesso le soluzioni più semplici a venirci in contro per risolvere un problema tecnico anche complesso. E’ il caso del sofisticato pacco batterie agli ioni di litio oggetto dell’analisi di questo articolo. Oltre ad una risma di celle opportunamente collegate in serie ed in parallelo, il pacco è dotato di un’elettronica a corredo per la gestione, il controllo e la protezione dello stesso. E’ presente un Battery Management System che si occupa di verificare la tensione delle celle in serie verificando sovra e sotto tensioni e, quando necessario, operare il bilanciamento tra le celle in modo passivo andando a ridurre la tensione di quelle che hanno il valore più alto trasformando l’energia elettrica in calore (ottenendo quindi un bilanciamento mediante perdita di energia). L’elettronica è autoalimentata dal pacco stesso ed è inoltre dotata di sensori di temperatura, sonda di corrente, teleruttore per l’accensione e lo spegnimento del sistema. Un’interfaccia grafica (immagine in basso) permette di visualizzare sul computer i dati tenuti sotto controllo, effettuare dei datalogging e delle diagnosi.

Il problema che si è verificato è partito proprio dall’elettronica a corredo, il pacco batterie è stato lasciato acceso un giorno intero, anche se inutilizzato, e l’elettronica, a riposo, ha assorbito energia in modo anomalo dalla settima e dalla decima fila di celle in serie. Il BMS, che solitamente effettua il bilanciamento al termine della carica, non ha operato alcun bilanciamento con l’impianto acceso in stato di stand-by perché questa logica di funzionamento non era prevista e/o perché la scarica esercitata dall’elettronica sulla settima e decima fila di celle superava di gran lunga i pochi millivolt bilanciabili attraverso le resistenze. Lo sbilanciamento, solitamente contenuto entro i 4-8 mV è arrivato a 2 Volt, un valore enorme. La settima fila di celle è scesa di tensione fino al pericolosissimo valore di 2,1-2,2 Volt e non è stato possibile intervenire caricando con il normale caricatore in quanto tutte le altre file di celle in serie raggiungevano in pochi secondi il loro massimo potenziale ponendo fine alla fase di carica.

Una volta intercettata la cavetteria che connette le file di celle in serie alla scheda del BMS, ed identificati i singoli poli di ogni banco, è stato possibile optare per connettere un carico ad ogni coppia di poli (positivo, negativo) al fine di scaricare tutte le altre file e ridurre l’imbalance. Naturalmente non era certo possibile scendere fino a 2,2 Volt (dato che il valore limite di tensione minima, teoricamente, è di 2,7 Volt), in alternativa era invece possibile operare in modo opposto andando a caricare solo le file di celle a rischio, ovvero i due banchi nei quali è stata rilevata una tensione anomala. Ma per poter effettuare questo tipo di carica di emergenza era necessario fornirsi di un’alimentazione 4,2 Volt, quindi una sorta di caricatore idoneo per una sola fila di celle al posto del caricatore ordinario 40-42 Volt. Ed è proprio qui che si sono complicate le cose.

Continua…

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Diagnosi anomalia e intervento di ripristino su un pacco batterie Li-Ion. Parte 1 – Rilievo dati
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Diagnosi anomalia e intervento di ripristino su un pacco batterie Li-Ion. Parte 3 – Soluzione definitiva

Schermata interfaccia BMS pacco batterie agli ioni di litio

Electronic Throttle Control: modificare le curve di risposta dell'acceleratore drive by wire

Rubrica: Incominciamo a parlare di automobili | Le domande dei lettori

Titolo o argomento: Effetti della modifica della curva di risposta dell’acceleratore elettronico

Risponendo a: Matteo

Matteo scrive: Ciao Ralph, ho scoperto da qualche giorno il tuo sito e ho letto molti dei tuoi contenuti poiché da tempo sono interessato agli approfondimenti tecnici legati al mondo della meccanica, informatica, elettronica (ho una laurea magistrale in Ing. Informatica al Politecnico di Milano). Da diversi mesi monto sulla mia auto un dispositivo che aumenta la reattività dell’acceleratore e mi domando quanto questo possa influire sull’usura del motore.

Mi pare di aver capito che tali dispositivi non fanno altro che modificare la “mappa del gas” praticamente amplificando (o variando) la risposta del potenziometro del gas, in modo che il corpo farfallato venga aperto più rapidamente e secondo una curva diversa da quella di fabbrica inserita nella centralina motore (immagino sia il modulo PCM)

In linea teorica questo non dovrebbe influenzare più di tanto l’usura del motore, ma, leggendo sul tuo blog, ho trovato una tua considerazione in merito all’utilizzo del gas che aperto oltre il necessario manderebbe sotto sforzo il motore.

A questo punto mi domando, quanto possono influire sull’usura del motore dispositivi che modificano la risposta del gas? Sono relativamente sicuri ?

La casa madre costruisce una mappa così “lenta” solo per motivi di inquinamento o in realtà anche per affidabilità, o semplicemente marketing su modelli di auto destinati ad un utenza più familiare e non sportiva?

L’acceleratore elettronico offre sostanzialmente il vantaggio di rilevare la richiesta di carico del guidatore e fornirla in entrata alla centralina elettronica che la restituirà “corretta” al sistema di alimentazione del motore. Questo offre una risposta più morbida e digeribile dalla maggior parte dei guidatori, permette di evitare carichi eccessivi in quei transitori in cui le condizioni del motore non permettono di erogare nell’immediato la coppia e la potenza richieste (ovvero quelle situazioni in cui ci accorgiamo che alzando il piede dall’acceleratore il motore sale di giri più agevolmente) e permette di ridurre l’inquinamento in quanto si riducono gli incombusti che passano direttamente allo scarico e, in generale, la quantità di carburante immessa in camera di combustione.

Modificare le curve di risposta della centralina alle diverse azioni sull’acceleratore, può rendere la guida più “scattosa” (effetto on/off), più allegra e sportiva e quindi più diretta e rassomigliante a quella che si aveva quando il corpo farfallato, o i corpi farfallati, erano azionati dal filo meccanico. Nonostante ciò anche in quel caso vi era una gran differenza tra l’alimentazione mediante carburatori o iniettori in quanto la misura della portata d’aria (presente nei sistemi di alimentazione a iniezione) già forniva una prima correzione nella portata degli iniettori nonostante il comando dell’acceleratore fosse di tipo meccanico.

Quindi la situazione più diretta, scorbutica, sportiva e inquinante era quella con l’acceleratore meccanico ed i carburatori, mentre la risposta più dolce e ottimizzata è ora rappresentata dall’iniezione, la sensoristica, la centralina elettronica ed il drive by wire.

La guida diventa talmente dolce e la progressione costante (grazie anche ad opportuni anticipi di accensione, leggi di apertura delle valvole e via discorrendo) che motori con una certa potenza rendono i veicoli gestibili anche da un’utenza meno esperta ed anche in condizioni di fondo stradale sconnesso o bagnato.

Modificare le curve di risposta all’input dell’acceleratore elettronico sollecita di più il motore ma i picchi di tali sollecitazioni, se il motore è rimasto originale, restano gli stessi. Il numero di giri non cambia, la massima potenza erogata e la relativa coppia, nemmeno. Cambia la rapidità con cui variano le sollecitazioni (previste in fase di progettazione) e tutt’al più la “sofferenza” della trasmissione. Penso, ma non ho testato la cosa, che cambi anche la rapidità con cui viene smaltito il calore, problematica dalla quale potrebbe emergere una certa usura non trascurabile (ma questo dipende molto da quanto il guidatore “insiste” nelle sue richieste; una variazione saltuaria o per brevi tratti non penalizza particolarmente la vita utile prevista del gruppo motopropulsore).

Il problema ora è: modificando le curve di risposta all’azione sull’acceleratore, sono rilevabili “cronometricamente” dei miglioramenti in termini di prestazioni? Oppure il sound si fa più accattivante ma l’attesa che si verifica nell’accelerare la massa del veicolo è tale da generare solo maggiori emissioni? Non di rado un’azione più dolce genera un’erogazione della coppia persino migliore, tutto sta nella capacità del motore di “respirare” e quindi avere una certa natura intrinseca nel voler salire rapidamente di giri; ciò dipenderà dai suoi condotti, dalla sua distribuzione e dalle sue geometrie di progettazione tipiche dei “calcoli della serva” (ovvero i calcoli di routine che si fanno inizialmente).

Generalmente sonde e cronometri offrono risposte decisamente migliori delle mie : )

Nelle immagini

Il sistema ETC (Electronic Throttle Control) della Bosch. Il guidatore effettua la sua richiesta di potenza e coppia, la centralina, grazie ad innumerevoli rilievi operati dai sensori motore, fa da supervisore e calcola in una frazione minima di secondo se la richiesta può essere soddisfatta o se genererà maggiori emissioni perfettamente evitabili. La centralina elettronica, a differenza del guidatore, conosce perfettamente la situazione del motore in ogni istante: temperature e pressioni in gioco, curva di coppia e potenza, numero di giri, velocità, dettagli della guida, condizioni della combustione, predisposizione o meno del motore a salire di giri in un determinato transitorio, rischio di detonazione, fattibilità o meno di una precisa richiesta e compatibilità della stessa con i parametri in cui il motore dovrebbe rientrare…

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Acceleratore elettronico BOSCH - Sistema ETC Electronic Throttle Control Acceleratore elettronico BOSCH - Sistema ETC Electronic Throttle Control