Programmi di Ricerca Scientifica di Rilevante Interesse Nazionale

Home PRIN DIMEC

Sommario (Italiano) | Abstract (English) | Pubblicazioni/Papers | Articoli divulgativi/White papers | Risultati | Contatti | Area Riservata

Integrazione di sistemi fotovoltaici in autoveicoli convenzionali ed ibridi

Il Ministero della Università e della Ricerca (MIUR), nell'ambito dei Programmi di Ricerca Scientifica di Rilevante Interesse Nazionale (PRIN 2006), ha approvato il finanziamento del progetto di ricerca biennale dal titolo "Integrazione di sistemi fotovoltaici in autoveicoli convenzionali ed ibridi", coordinato dal DIMEC dell'Università di Salerno ed in collaborazione con il DIIIE dell'Università di Salerno e il DIEES dell'Università di Catania. I risultati della ricerca saranno diffusi su questo sito e sul sito http://www.dimec.unisa.it/Leonardo.

The Italian Ministry of University and research (MIUR) has financed a two years research program on "Integration of Photo-Voltaic Systems in Conventional and Hybrid Vehicles", coordinated by DIMEC of University of Salerno in cooperation with DIIIE (University of Salerno) and DIEES (University of Catania). The research results will be presented on this site and at http://www.dimec.unisa.it/Leonardo.


Sommario

Il progetto ha come obiettivi lo sviluppo di tecniche, metodologie ed applicazioni prototipali finalizzate alla integrazione di sistemi fotovoltaici nelle autovetture. La gamma delle possibili applicazioni si estende dalla sostituzione dell'alternatore con una Auxiliar Power Unit solare nei veicoli convenzionali e MEV (More Electric Vehicle), anche con sistemi ISG (Integrated Starter Generator), ai veicoli ibridi (Hybrid Vehicle) (HV), ai veicoli elettrici solari 'ibridizzati' HSV (Hybrid Solar Vehicle).
I veicoli ibridi solari potrebbero sommare i vantaggi dei veicoli ibridi e delle vetture solari, tramite l'integrazione di pannelli fotovoltaici su un veicolo ibrido. Benché la potenza media ricavabile da pannelli fotovoltaici montati sul tetto di una vettura sia, con le attuali tecnologie, molto inferiore alla potenza massima di buona parte delle vetture circolanti, il loro contributo può risultare significativo considerando come una larga parte degli automobilisti usi la propria auto prevalentemente per brevi spostamenti in aree urbane, per non più di un'ora al giorno, e con il solo guidatore a bordo. In tali condizioni, la potenza media necessaria alla trazione è molto inferiore alla potenza massima e l'energia captabile dai pannelli durante la guida e, soprattutto, in fase di parcheggio, può rappresentare una frazione significativa dell'energia richiesta, con una opportuna progettazione del sistema propulsore-veicolo. Studi preliminari hanno mostrato come i risparmi di combustibile possano raggiungere il 20-30% rispetto al veicolo ibrido di riferimento, e valori ancora maggiori rispetto ad un veicolo tradizionale.
L'applicazione delle tecnologia fotovoltaica all'auto pone problemi nuovi e più complessi, rispetto alle applicazioni fisse. Saranno pertanto sviluppate e sperimentate nuove tipologie di convertitori elettronici e tecniche di Maximum Power Point Tracking (MPPT) specifiche per applicazioni automotive, tese a massimizzare l'energia dal sistema di generazione. In tale ambito, si prevede lo sviluppo di modelli con perdite dei convertitori dc-dc, la formulazione dei relativi criteri di progetto, la ottimizzazione del controllo MPPT con particolare riferimento ai fenomeni di mismatching caratteristici delle applicazioni di tipo automotive, seguita da test numerici e sperimentali.
La ricerca si rivolgerà allo studio di nuove soluzioni progettuali che consentano di ottenere il massimo rendimento, anche in condizioni di ombreggiamento parziale dei pannelli. Obiettivo specifico è quello di abbassare i costi iniziali e di esercizio del sistema di generazione attraverso la minimizzazione del numero e della taglia dei componenti elettrici ed elettronici necessari, e di massimizzare i rendimenti di conversione, attraverso l'ottimizzazione degli scambi energetici tra il generatore fotovoltaico, gli accumulatori ed i motori elettrici.
In parallelo, sarà sviluppato un modello per il progetto ottimizzato ed il controllo di un veicolo ibrido solare con struttura serie, in grado di determinare le configurazioni ottimali e le relative strategie di controllo tenendo conto di flussi energetici, ingombri, pesi e costi, al variare delle condizioni di utilizzo del veicolo, taglia e rendimenti dei componenti, condizioni di insolazione. Il modello, che integrerà le soluzioni sviluppate per il controllo dei moduli fotovoltaici, sarà validato sperimentalmente su un prototipo di veicolo solare, in corso di allestimento presso il DIMEC nell'ambito di un Progetto Europeo Leonardo. Il modello sarà quindi utilizzato per analisi di scenario finalizzate alla determinazione di interventi migliorativi sul prototipo. In particolare, si analizzeranno e sperimenteranno diverse tipologie e superfici di pannelli, le modalità ottimali per la sostituzione del pacco di batterie al piombo con batterie avanzate al litio e metodologie di controllo predittivo, basate sulla previsione dei carichi e dell'energia incidente con reti neurali.

Abstract

The project focuses on developing procedures, methodologies and prototypal applications aimed at integrating photovoltaic systems with cars. Potential such applications include the following: the replacement of the alternator with a solar Auxiliary Power Unit for both conventional vehicles and MEV (More electric Vehicles), with possible use of ISG (Integrated Starter Generator) systems; Hybrid Vehicles (HV); hybridized solar electric vehicles HSV (Hybrid Solar Vehicle).
Hybrid Solar Vehicles may suitably combine the benefits provided by hybrid vehicles and solar cars, by integrating photovoltaic panels in a hybrid vehicle. As a matter of fact, the average power captured by solar panels mounted on vehicles roof, at the actual development stage, cannot compare with the maximum power requirements of most of the actual cars. Nevertheless, such contribution assumes more significant meaning if considering that many drivers use their cars for less than 1 hour, mostly in urban areas and with just 1 occupant (i.e. the driver). In these conditions, the average power needed for traction is much lower than the maximum installed power. Therefore, a proper design of the vehicle-powertrain system may allow meeting a significant share of the total energy required with the energy captured by the panels during both driving and parking phases. Preliminary analyses showed that the fuel savings can reach up to 20-30% as compared to the reference hybrid vehicle and, of course, even higher values with respect to conventional vehicles.
The use of photovoltaic technology for automotive traction poses new and more complex problems as compared to stationary power applications. Therefore, innovative electronic converters and Maximum Power Point Tracking (MPPT) techniques will be developed and tested to enhance automotive applications and maximize the generation system. For this end, suited models will be implemented to estimate dc-dc converters efficiency, the proper design criteria will be established and MPPT optimization will be performed taking into account the typical mismatching effects of automotive applications. This activity will then be followed by both numerical and experimental tests.
The research will address the investigation of innovative design solutions that allow maximizing energy conversion efficiency, even in presence of partial shade conditions. The specific goal is to reduce both capital and working costs for the generation system, by minimizing number and size of electric and electronic components while maximizing the conversion efficiencies via optimization of energetic flows between photovoltaic generator, storage devices and electric machines.
In parallel, a model will be developed to perform optimal design and control of a series-solar-hybrid vehicle. The model will be conceived such that it can determine the optimal configurations and related control strategies as function of energy flows, dimensions, weights and costs and depending on vehicle operations, components' size and efficiency and insulation conditions.
Model validation will be performed by comparing model outputs with experimental data measured on a solar-hybrid-vehicle prototype, now under development at DIMEC in the framework of a European Leonardo project. The model will then be used to perform scenario analyses aimed at improving the prototype. Particularly, several panel types and sizes will be tested, along with the implementation of advanced predictive control methodologies, based on neural networks for the forecast of future loads and incident solar energy. Moreover, the opportunity will be investigated of replacing the current battery pack, made of lead-acid cells, by the most up-to-date Lithium-Ion batteries.


Pubblicazioni/Papers

Journals

  1. I Arsie, G Rizzo, M Sorrentino (2008) “A Model for the Optimal Design of a Hybrid Solar Vehicle”, Review of Automotive Engineering, Society of Automotive Engineers of Japan (JSAE), 2008, ISSN 1349-4724. 29-3: 439-447
  2. I Arsie, G Rizzo, M Sorrentino (2007) “Optimal Design and Dynamic Simulation of a Hybrid Solar Vehicle”, SAE TRANSACTIONS- JOURNAL OF ENGINES 115-3: 805-811
  3. N. Femia, G. Lisi, G. Petrone, G. Spagnuolo, M. Vitelli: “Distributed Maximum Power Point Tracking of Photovoltaic Arrays. Novel Approach and System Analysis” IEEE Transactions on Industrial Electronics Vol. 55, No. 7, July 2008, pp. 2610 - 2621.
  4. G. Petrone, G. Spagnuolo, M. Vitelli: “Analytical model of mismatched photovoltaic fields by means of Lambert W-function”; Journal of Solar Energy Materials and Solar Cells Vol 91,Issue 18 November 2007 pp. 1652-1657
  5. N. Femia , D. Granozio , G. Petrone , G. Spagnuolo, M. Vitelli: "Predictive & Adaptive MPPT Perturb and Observe Method". IEEE Transactions On Aerospace And Electronic Systems, vol. 43, No. 3 July 2007, pp. 934-950

International Conferences

  1. I Arsie, R Di Martino, G Rizzo, M Sorrentino (2008) “Energy Management for a Hybrid Solar Vehicle with Series Structure” In: 17th IFAC World Congress, Seoul (South Korea), July 6-11, 2008 Edited by:Elsevier - ISBN 978-1-1234-7890. 3362-3367 IFAC (PDF)
  2. G Adinolfi, I Arsie, R Di Martino, A Giustiniani, G Petrone, G Rizzo, M Sorrentino (2008) “A PROTOTYPE OF HYBRID SOLAR VEHICLE: SIMULATIONS AND ON-BOARD MEASUREMENTS” In: Proc.of Advanced Vehicle Control Symposium AVEC 2008, October 6-9, 2008, Kobe (Japan) 917-922 Society of Automotive Engineers of Japan - ISBN: 978-4-904056-21-9 (PDF)
  3. I Arsie, R Di Martino, G Rizzo, M Sorrentino (2008) “ON THE USE OF GENETIC ALGORITHM TO OPTIMIZE THE ON-BOARD ENERGY MANAGEMENT OF A HYBRID SOLAR VEHICLE” In: Proceedings of "Les Rencontres Scientifiques de l'IFP - Advances in Hybrid Powertrains", 25-26 November 2008, IFP/Rueil-Malmaison, France (PDF, Presentazione)
  4. I Arsie, G Rizzo, M Sorrentino (2008) “Hybrid Solar vehicles: Perspectives, Problems and Management Strategies”, In: International Conference on Automotive Technologies - ICAT08, November 13-15, 2008, Istanbul (Turkey) Edited by:A.Murat Yildinm, Irmak Koçkan. 291-300 (PDF)
  5. I Arsie, R Di Martino, G Rizzo, M Sorrentino (2007) “TOWARD A SUPERVISORY CONTROL OF A HYBRID SOLAR VEHICLE” In: IFAC Symposium "Advances in Automotive Control" AAC07, August 20-22, 2007, Monterey (CA) Edited by:Elsevier. (PDF)
  6. Z Preitl, P Bauer, B Kulcsar, G Rizzo, J Bokor (2007) “Control Solutions for Hybrid Solar Vehicle Fuel Consumption Minimization” In: Proceedings of the 2007 IEEE Intelligent Vehicles Symposium, Istanbul, Turkey, June 13-15, 2007 (PDF)
  7. G. Adinolfi, N. Femia, G. Petrone, G. Spagnuolo, M. Vitelli: “Energy efficiency effective design of DC/DC converters for DMPPT PV applications ”, submitted to European Power Electronic International Conference EPE09.
  8. N. Femia, G. Lisi, G. Petrone, G. Spagnuolo, M. Vitelli,: “Analysis of Photovoltaic Systems with Distributed Maximum Power Point Tracking”, Proc. of IEEE International Symposium on Industrial Electronics ISIE08, June 30-July 2 2008 pp. 2408 - 2413.
  9. L. Egiziano, N. Femia, G. Lisi, G. Petrone, G. Spagnuolo, M. Vitelli: “Design and optimization of a Maximum Power Point controller for PV battery charger”, Proc of 2007 IEEE International Symposium on Industrial Electronics, June 4-7 2007 Vigo (Spain), pp 2426-2431.
  10. L. Egiziano, A. Giustiniani, G. Lisi, G. Petrone, G. Spagnuolo, M. Vitelli: “Experimental characterization of the photovoltaic generator for hybrid solar vehicle”. Proc of 2007 IEEE International Symposium on Industrial Electronics, June 4-7 2007 Vigo (Spain), pp 329-334.

Proceedings

  1. 2nd International Workshop on Hybrid and Solar Vehicles September 14, 2007, University of Salerno, Italy

Articoli divulgativi/White papers

27.11.2008, Il Denaro - Salerno, Riparte il veicolo solare

07.2008, FV Fotovoltaico - Il sole per le auto in città

 


Contatti


Descrizione della Ricerca eseguita e dei risultati ottenuti

Introduzione

Le attività svolte dalle Unità di Ricerca (UR) si sono incentrate su numerosi aspetti teorici, modellistici, progettuali e sperimentali connessi alle applicazioni automotive di sistemi fotovoltaici, ed in particolare ai veicoli ibridi solari. Molta dell'attività è stata finalizzata allo sviluppo di un prototipo di veicolo ibrido solare con struttura serie, presentato di seguito:


Fig.1 - Prototipo di veicolo ibrido solare

Lo schema funzionale del veicolo è riportato nella figura 2:


Fig. 2 - Schema del veicolo ibrido solare con struttura serie

Legenda: PV: pannelli fotovoltaici, EG: generatore elettrico, ICE: motore a combustione interna, EM: motore elettrico, B: batterie

Coerentemente con gli obiettivi del progetto e con le competenze dei partecipanti, le attività si sono articolate lungo i seguenti tre temi:
Ognuno dei temi è stato condotto prevalentemente da una UR (rispettivamente, DIMEC-Salerno, DIIIE-Salerno e DIEES-Catania), in stretta collaborazione con le altre. I risultati ottenuti sono descritti sinteticamente nel seguito e, con maggior dettaglio, nei modelli B delle UR e nelle pubblicazioni indicate al sito http://www.dimec.unisa.it/PRIN

Progettazione delle strategie di gestione energetica di un veicolo ibrido solare

I veicoli ibridi solari hanno ovviamente molte caratteristiche in comune con i veicoli ibridi elettrici (HEV), per il cui sviluppo sono state condotte numerose attività di ricerca. Tuttavia, la presenza dei pannelli solari, che captano l'energia anche nelle fasi di parcheggio, e l'adozione di una struttura propulsiva di tipo serie, a differenza della struttura parallela adottata comunemente negli ibridi convenzionali, introducono significative differenze tra i due tipi di veicolo, rendendo necessario lo sviluppo di metodologie ad hoc:

Effetti legati all'utilizzo intermittente del motore a combustione interna

L'utilizzo intermittente del motore a combustione interna induce degli effetti dinamici sia nel motore che nel catalizzatore, determinando quindi una variazione di consumi ed emissioni rispetto alle condizioni steady-state. La gestione ottimale dell'ICE durante un ciclo di guida arbitrario può essere individuata risolvendo un problema di ottimizzazione vincolata. Tra le variabili decisionali vi sono, per ogni fase di accensione del motore a combustione interna, l'istante di avviamento, la durata del periodo di accensione e la potenza erogata. Il primo vincolo permette di ristabilire lo stato di carica iniziale alla fine del giorno, tenendo conto anche delle fasi di sosta del veicolo durante le quali i pannelli fotovoltaici continuano a ricaricare il pacco batterie. La strategia di controllo descritta è basata sulla conoscenza a-priori del profilo di missione del veicolo, mentre per l'utilizzo in tempo reale è stata sviluppata una metodologia Rule-Based, presentata successivamente. I valori minimi e massimi dello stato di carica possono essere assegnati garantendo un utilizzo ottimale in termini di tempo di vita del pacco batterie. Il valore massimo raggiunto dal SOC durante le fasi di guida è invece vincolato alla necessità di garantire il massimo sfruttamento dell'energia captabile dai pannelli nelle fasi di parcheggio.

Simulazione dei transitori termici

L'influenza esercitata dai transitori termici può essere simulata assumendo (i) una risposta dinamica del motore nell'erogazione della potenza richiesta e (ii) stimando il consumo specifico in funzione della temperatura del motore oltre che della potenza erogata. La dinamica termica è descritta secondo un processo del primo ordine, anche sulla base di rilievi sperimentali. La potenza ed il consumo specifico di combustibile sono calcolati introducendo un fattore correttivo rispetto al valore corrispondente alle condizioni a regime.

Stima delle emissioni di HC

In presenza di frequenti manovre di accensione/spegnimento del motore, tipiche nel caso del veicolo oggetto dello studio, le emissioni di HC risultano particolarmente critiche. Tale aspetto può essere analizzato attraverso un modello semplificato per la stima delle emissioni di HC durante i transitori termici, sulla base di misure sperimentali rilevate al banco prova nel corso di manovre di avviamento a freddo. Sulla base di evidenze sperimentali, le emissioni di HC possono essere modellate secondo un processo dinamico del primo ordine, che può essere esteso anche per le manovre di avviamento a caldo.
Nelle figure seguenti sono illustrati i risultati di due simulazioni relative a manovre di avviamento a freddo ed a caldo. Le figure evidenziano che le emissioni allo scarico di HC differiscono significativamente nei due casi in virtù del diverso profilo del transitorio termico del motore.


Fig.3 - Andamento delle emissioni di HC con partenza a freddo o a caldo

Strategie di controllo per la gestione energetica del veicolo ibrido solare

Si illustrano i risultati ottenuti risolvendo un problema di ottimizzazione vincolata, secondo quanto descritto in precedenza. L'utilizzo intermittente del motore è stato analizzato al variare del numero di fasi di accensione. La figura 4 evidenzia la dipendenza di consumi ed emissioni dal numero di fasi di accensione, che influenza in modo marcato l'andamento delle temperature del motore:

 


Fig.4 - Andamento dei consumi e delle emissioni di HC in funzione del numero di accensioni


Fig.5 - Andamento della potenza e dello stato di carica (SOC) lungo il ciclo di guida


La strategia di ottimizzazione del gruppo generatore è stata anche applicata al caso del prototipo HSV in studio, provvisto di un generatore Diesel. La figura seguente mostra le percorrenze ottenibili su ciclo ECE con la configurazione attuale (A) e secondo due scenari di miglioramento, ottenibili con una riduzione del pacco batterie ed un parallelo incremento del rendimento dei pannelli al 18% (B), e con un'ulteriore riduzione del 20% del peso del veicolo (C). In quest'ultimo caso, in particolare, i risultati raggiunti in sarebbero estremamente interessanti, anche in raffronto con quelli ottenibili da una Toyota Prius in modalità charge-sustaining:


Fig.6 - Percorrenze ottenibili su ciclo ECE (Km/l)

Determinazione di strategie di controllo implementabili a bordo

La fase successiva della ricerca ha riguardato la determinazione di strategie di controllo implementabili a bordo del veicolo, ed il loro confronto con le strategie ottenute con metodi off-line (Algoritmi Genetici). E' stata proposta una metodologia di controllo "rule-based” (RB), la cui struttura è la seguente:
La strategia RB è stata implementata in Matlab e confrontata con una strategia ottimale ottenuta tramite algoritmo genetico. Si è svolta un'analisi al variare dell'intervallo temporale di predizione della potenza, e confrontando due approcci: (i) forward, che presuppone la stima della potenza futura, e (ii) backward, che si basa invece sulla elaborazione dei dati del periodo precedente. I risultati mostrano come la strategia RB presenti uno scadimento di prestazioni (consumo equivalente) molto limitato e variabile da 0% al al 5% rispetto al benchmark, e che anche la strategia backward consenta di ottenere risultati molto vicini a quella ottimale.

Fig.7 - Aumento percentuale del consumo rispetto al ciclo ottimale al variare dell'intervallo di predizione della potenza media

Attività sperimentale

I principali dati tecnici del prototipo presentato in Fig.1 sono riassunti nella tabella seguente:

Tab.1 - Caratteristiche del veicolo ibrido solare

Il prototipo è stato equipaggiato con una serie di sensori che comunicano con una centralina di controllo programmabile NI cRIO®, al fine di condurre campagne sperimentali finalizzate ad eseguire le seguenti attività: i) validazione dei sottomodelli da implementare nel modello dinamico complessivo; ii) acquisizione dati e monitoraggio; iii) attuazione delle strategie di controllo. Nelle figure successive sono riportati alcuni test sperimentali ed i risultati della validazione sperimentale del modello della batteria e del motore elettrico.

Tab.2 - Risultati sperimentali sul prototipo


Fig.8 - Validazione del modello della batteria


Fig.9 - Validazione del modello di rendimento per il motore elettrico

Metodologie di controllo e sistemi di conversione per campi fotovoltaici per applicazioni automotive

Messa a punto di modelli matematici per la caratterizzazione della sorgente fotovoltaica in condizioni di mismatching

Inizialmente l'unità DIIIE ha lavorato allo sviluppo di un metodo di risoluzione più efficiente, rispetto alle soluzioni proposte in letteratura, per il calcolo della caratteristica tensione-corrente di un campo fotovoltaico, costituito da una qualsiasi connessione in serie/parallelo di un assegnato numero di celle fotovoltaiche e dei rispettivi diodi di bypass e di blocco, in condizioni di mismatch.
La procedura si basa sull'uso della funzione Lambert W, che consente di descrivere in forma esplicita le equazioni non lineari dei moduli e di determinare, senza ricorrere a procedure iterative, il punto di lavoro dei singoli moduli che compongono la sorgente fotovoltaica. Il vantaggio di tale formulazione sta nel fatto che essa può essere implementata in maniera sistematica per qualsiasi configurazione serie/parallelo di celle fotovoltaiche. L'uso congiunto di tale formulazione e di opportuni algoritmi evolutivi è utile, per esempio, nella ricerca delle configurazioni ottimali di un sistema fotovoltaico, oppure per determinare il funzionamento di un impianto per qualsiasi condizione di mismatch. Il modello della sorgente è stato sviluppato inizialmente in ambiente Matlab/Simulink, e poi è stato convertito in una dynamic link library per essere utilizzato come modello circuitale in ambiente PSIM.

Implementazione di procedure di calcolo per l'individuazione del progetto ottimo di convertitori dc-dc per applicazioni fotovoltaiche.

Per quanto riguarda la scelta della soluzione ottimale del circuito di conversione DC/DC, è stata implementata una procedura di calcolo in grado di valutare in maniera affidabile le perdite dei singoli componenti che costituiscono il circuito e che, in base alle condizioni di lavoro imposte sia dalla sorgente che dal carico, seleziona il set di componenti commerciali in grado di massimizzare l'efficienza energetica del sistema. Il programma di calcolo fornisce un insieme di soluzioni appartenenti ad un fronte di Pareto caratterizzato da due obiettivi contrastanti quali possono essere la massimizzazione dell'efficienza energetica e la minimizzazione del costo del convertitore.
La topologia boost è risultata quella più conveniente per il collegamento della stringa di moduli fotovoltaici alle batterie mediante un unico convertitore. Tale convertitore realizzato e testato in laboratorio ed successivamente installato sul prototipo ha consentito di provare sul campo alcune tecniche di MPPT. La topologia buck-boost è stata realizzata per provare in laboratorio una configurazione circuitale in cui sia il campo fotovoltaico che il pacco batteria sono stati frazionati per lavorare all'incirca a 12V. Questa topologia è risultata poco vantaggiosa in termini di efficienza a causa del maggiore stress di tensione che si manifesta sui componenti a stato solido.
Sulla base dei risultati sperimentali ottenuti e in collaborazione con le UR DIEES e DIMEC è stata individuata la topologia flyback quale configurazione circuitale ottimale per l'interfacciamento sorgente fotovoltaica - batteria. Le attività del DIIIE inerenti lo sviluppo del convertitore flyback hanno riguardato principalmente l'individuazione del progetto ottimo utilizzando la procedura di calcolo sopra descritta.

Metodologie di controllo MPPT digitali per applicazioni automotive

Successivamente è stata studiata in maniera approfondita una tecnica di controllo MPPT del tipo P&O basata sulla misura delle sole grandezze in uscita al convertitore, ovvero ai capi della batteria. Tale tecnica presenta come vantaggi la riduzione del numero di sensori, la semplificazione delle operazioni matematiche da effettuare sulle grandezze acquisite ed una maggiore immunità ai disturbi. Un'ulteriore evoluzione della tecnica del P&O è stata quella di integrare all'algoritmo base un controllo predittivo; tale controllo effettua una interpolazione polinomiale dei dati acquisiti sul campo fotovoltaico e consente di stimare la posizione del punto di massima potenza sulla curva potenza-tensione, la stima della posizione del punto di massima potenza consente di velocizzare il tracking dell'MPPT in presenza di forti variazioni delle condizioni ambientali. Tali miglioramenti comunque non sono molto efficaci in presenza di mismatch; l'unica soluzione a tale problema è quella di realizzare una struttura modulare, che preveda un micro-convertitore dc/dc con MPPT dedicato ad ogni modulo fotovoltaico tale architettura prende il nome di DMPPT (Distributed-MPPT).
Infatti, poiché durante il funzionamento di tale sistema ogni sottosezione sarà totalmente indipendente dalle altre, è possibile garantire una elevata produttività energetica anche in condizioni di forte mismatching. Altro beneficio ottenibile con tali convertitori è la maggiore flessibilità in fase di progettazione e manutenzione in quanto, non essendoci più il vincolo della connessione serie/parallelo dei moduli, essi possono essere di dimensioni e caratteristiche elettriche diverse; ed in caso di malfunzionamento o guasto di un sottoinsieme di moduli, è possibile effettuare la sostituzione dei soli moduli interessati al guasto senza pregiudicare il funzionamento dell'intero impianto. Stime teoriche dimostrano che con l'utilizzo di convertitori applicati ad ogni singolo pannello è possibile recuperare inefficienze di impianto in un campo che va dal 10% al 40% a seconda dell'entità del mismatching.

Sviluppo di un Emulatore di Campo Fotovoltaico e allestimento strumentazione del prototipo di veicolo ibrido solare

L'attività ha riguardato anche allo sviluppo di un emulatore di campo fotovoltaico per il testing dei convertitori switching e delle tecniche di MPPT. In particolare è stato realizzato un circuito elettronico in grado di riprodurre una curva corrente - tensione con lo stesso profilo della curva caratteristica di un campo fotovoltaico in presenza di mismatching.
Infine, per quanto riguarda l'allestimento della circuiteria di controllo a bordo del veicolo ibrido solare, la UR DIIIE si è occupata della parte riguardante la gestione del generatore fotovoltaico e il monitoraggio dello stato di carica delle batterie. In particolare, tutti gli algoritmi di MPPT studiati nell'ambito del presente progetto sono stati implementati attraverso programmi sviluppati in ambiente Labview per essere utilizzati con controllori della National Instruments tipo CRio. La scelta di tali apparecchiature è legata al fatto che esse sono estremamente versatili, possono operare in condizioni estreme in termini di vibrazioni ed hanno delle dimensioni ridotte.

Studio, ottimizzazione e realizzazione dello stadio di conversione

Sviluppo di modelli del sottosistema convertitori e del sottosistema azionamento di trazione

Lo studio delle problematiche legate ai flussi di energia tra la sorgente, l'accumulo ed il carico elettrico sono propedeutiche all'obiettivo di individuare la configurazione ottimale del sistema di conversione elettronico. In collaborazione con l'UR DIMEC, è stato sviluppato un modello in ambiente Simulink dell'autoveicolo (fig. 10). L'azionamento di trazione, riferito ad un motore di tipo brushless a controllo di velocità, comprende il motore, un inverter trifase a controllo di corrente PWM, ed un anello esterno di controllo della velocità.

Fig.10 - Modello dell'autoveicolo.

E' stato successivamente sviluppato un modello matematico accurato per batterie di trazione al piombo-acido, che è in grado di modellare gli effetti della temperatura, il fenomeno dell'auto-scarica, la produzione di gas, le perdite di soluzione, l'invecchiamento, e la generazione di calore. L'UR di Catania ha proposto un modello sviluppato in ambiente Simulink, basato sulle misure della corrente erogata o assorbita e della temperatura di elettrolita ed ambiente. E' stato realizzato un banco prova per batterie in grado di misurare le grandezze di interesse in cicli di carica/scarica opportunamente elaborati grazie anche all'utilizzo del carico elettronico acquistato con i fondi relativi a questo progetto.
Collegando i modelli proposti dei pannelli fotovoltaici, delle batterie, e del veicolo è stato possibile testare il comportamento statico e dinamico dell'intero sistema (fig. 11).

Fig.11 - Modello del sistema.

In collaborazione con l'UR DIIIE, si è stabilito che, per minimizzare i fenomeni di 'mismatching' e ombreggiamento parziale del modulo o della stringa, la soluzione ottima consiste nel suddividere il campo fotovoltaico in un numero limitato di sottoinsiemi, e per ciascuno di questi utilizzare un proprio algoritmo MPPT. E' stato studiato il problema della disparità della carica presente nelle diverse batterie che compongono il pacco, essenzialmente dovuta alla dispersione dei parametri interni delle singole batterie. Ciò comporta la diminuzione del tempo di vita del pacco batterie, nonché una degradazione delle prestazioni del sistema. Di conseguenza, si è scelto di indirizzare l'energia prodotta dai pannelli fotovoltaici alle singole batterie in maniera inversamente proporzionale al SOC, così da portarle tutte allo stesso grado di carica. L'UR di Catania ha anche proposto delle tecniche di controllo motori volte al risparmio energetico.
L'attività dell'UR di Catania è proseguita con lo studio di diverse soluzioni circuitali per convertitori DC/DC multi-uscita. Gli obiettivi sono l'alta efficienza, l'integrabilità del convertitore, l'isolamento galvanico per disaccoppiare elettricamente la sorgente dal carico, e l'economicità della soluzione. In collaborazione con l'UR DIIIE, si è scelto di preferire la configurazione flyback multi-uscita, ovvero, con diversi circuiti d'uscita, ognuno che alimenti una o più batterie in serie. E' stato dimostrato che questo convertitore eroga una corrente, per ogni uscita, inversamente proporzionale alla tensione della batteria alla quale l'uscita è collegata, in pratica andando a caricare a potenza maggiore la batteria più scarica, fino ad ottenere l'equalizzazione della carica di tutte le batterie connesse. Una volta ultimata l'equalizzazione della carica delle batterie connesse al convertitore, la carica continua a potenza costante, cioè in egual misura, per tutte le batterie.

Progetto dei convertitori per la massimizzazione della produttività energetica e per l'ottimizzazione della dinamica del sistema

L'attività di questa fase ha riguardato la progettazione del convertitore e dell'algoritmo di controllo, particolarmente del trasformatore HF e di un circuito di snubber per il turn-off di tipo non-dissipativo. Lo schema circuitale del convertitore, nel caso di tre uscite, è rappresentato in fig.12:


Fig.12 - Schema circuitale del convertitore elettronico.


L'algoritmo MPPT è stato sviluppato in collaborazione con l'UR DIIIE. In considerazione della elevata dinamica di variazione dell'esposizione alla radiazione solare del pannello si è reso necessario modificare il classico algoritmo MPPT Perturba & Osserva. Infatti, poiché il carico del convertitore è a tensione pressoché costante o lentamente variabile, è stato possibile semplificare l'algoritmo MPPT utilizzando come segnale di feedback esclusivamente la corrente di uscita del convertitore. Un primo prototipo del convertitore, riportato in fig. 13:


Fig.13 - Prototipo iniziale del convertitore elettronico.

L'algoritmo MPPT tipo Perturba & Osserva è stato simulato in ambiente Matlab/simulink e poi, utilizzando una scheda DSPACE, è stato realizzato in pratica eseguendo dei test sperimentali.

Realizzazione del convertitore elettronico e del controllo MPPT

La UR di Catania ha curato la realizzazione del prototipo definitivo del convertitore e dell'implementazione del controllo MPPT su di un microprocessore digitale a basso costo, curando la minimizzazione dei disturbi e la gestione della dissipazione del calore direttamente dal PCB ed evitando l'uso di dissipatori di calore, rendendolo inoltre indipendente sia da fonti di energia ausiliarie che da sistemi di controllo esterni. Il prototipo definitivo del convertitore è riportato in fig. 14. Ad eccezione del trasformatore ad alta frequenza, l'intero circuito è integrabile in un unico chip, consentendone l'eventuale integrazione in un tetto fotovoltaico debitamente partizionato.


Fig. 14 - Prototipo definitivo del convertitore elettronico.

L'attività conclusiva, in collaborazione con tutte le UR, ha riguardato la verifica sperimentale dei modelli sviluppati e delle soluzioni proposte, confermando la validità dell'approccio seguito.

Bibliografia

Gli articoli pubblicati nel corso del progetto sono disponibili al sito:
http://www.dimec.unisa.it/PRIN


Problemi riscontrati nel corso della ricerca

E' importante evidenziare come alcune delle scelte progettuali effettuate, dettate da esigenze di realizzabilità e di budget, limitino le prestazioni ottenibili con l'attuale prototipo di veicolo ibrido solare.

In particolare, sono stati utilizzati moduli fotovoltaici custom realizzati con la stessa tecnologia di quelli per applicazioni residenziali ovvero costituiti da un sub-strato di tedlar su cui sono appoggiate le celle; il tutto è ricoperto da una lastra di vetro temperato che protegge le celle dagli agenti atmosferici e irrigidisce la struttura, mentre una cornice di alluminio consente di fissare il modulo alla struttura. Il modulo cosi realizzato ha due grossi inconvenienti: un peso dell'ordine di 10kg/mq, e l'impossibilità di essere incurvato per adattarsi alle superfici del tettuccio e del cofano. In commercio da anni esistono moduli fotovoltaici flessibili, ma con efficienza molto bassa e quindi non idonei per applicazioni in cui è richiesta un'elevata densità di potenza per unità di superficie. Una soluzione intermedia può essere quella di incapsulare le celle di tipo mono o policristallino in un "sandwich" di materiali polimerici trasparenti rendendo cosi la struttura abbastanza flessibile per seguire le curvature della carrozzeria di un autoveicolo e allo stesso tempo molto leggera. Attualmente alcuni produttori di moduli fotovoltaici stanno sperimentando tale soluzione nell'ambito delle imbarcazioni da diporto e da competizione ottenendo risultati soddisfacenti. L'adozione infine di un tettuccio solare mobile, come quello sperimentato nel corso della ricerca, consentirebbe di incrementare anche del 30% o 40% l'energia solare nelle fasi di parcheggio, con costi energetici trascurabili per la sua movimentazione.

Ulteriori elementi di penalizzazione sono riconducibili al tipo di batteria utilizzata ed alla sua capacità, progettata per le esigenze di un veicolo elettrico e non di un veicolo ibrido, che ha bisogno di immagazzinare meno energia rispetto al primo. Il ricorso a batterie al litio, più leggere rispetto a quelle attuali al piombo-gel, ed una opportuna riduzione della loro capacità permetterebbero di realizzare rilevanti riduzioni sul peso del veicolo. Ulteriori economie di peso sono realizzabili operando sulla struttura e sulla carrozzeria del veicolo, oltre che sul sistema moto-generatore, non ottimizzato per applicazioni automotive. Un altro elemento su cui si potrà intervenire per ridurre i pesi e migliorare il rendimento di conversione è il sistema moto-generatore, sia adottando un generatore DC che consenta di migliorare il rendimento globale di conversione energetica che progettando sistemi integrati con rapporto potenza-peso più favorevole.

Va comunque sottolineato come, pur operando su un veicolo non del tutto ottimizzato, la ricerca abbia consentito di sviluppare metodologie e soluzioni applicabili anche su veicoli di prossima generazione, e di validare i modelli matematici che hanno consentito di valutare i rilevanti vantaggi ottenibili con ulteriori sviluppi dei veicoli ibridi solari.