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
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Proc of 2007 IEEE International Symposium on Industrial Electronics, June
4-7 2007 Vigo (Spain), pp 329-334.
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:
Progettazione
delle strategie di gestione energetica di un veicolo ibrido solare
Metodologie
di controllo per campi fotovoltaici per applicazioni automotive
Studio,
ottimizzazione e realizzazione degli stadi di conversione per gli scambi
energetici in un veicolo ibrido solare
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:
In
molti veicoli ibridi viene adottata una strategia di gestione "charge-sustaining",
in cui viene garantito che alla fine di ogni ciclo di guida lo stato di
carica delle batterie risulti invariato rispetto alla condizione di partenza.
Nel caso del veicolo ibrido solare, è invece necessaria raggiungere
l'obiettivo "charge-sustaining" lungo l'intero arco della giornata,
stimando l'apporto solare.
La
configurazione serie consente inoltre un utilizzo intermittente del motore
a combustione interna, in particolare a punto fisso ed in condizioni di
massima efficienza. In questo caso è quindi possibile privilegiare,
nella fase di progettazione del motore, il funzionamento ottimale nel punto
di massima efficienza, mentre per le vetture tradizionali la massima efficienza
di conversione è sacrificata a vantaggio del raggiungimento di prestazioni
ed emissioni accettabili nell'intero dominio di funzionamento. Nel caso
di funzionamento intermittente è quindi importante tener conto dell'effetto
che i transitori termici hanno su consumi ed emissioni, e che sono trascurati
nella maggior parte degli studi riguardanti i veicoli ibridi.
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:
Un loop esterno
definisce il SOC da realizzare al termine del ciclo di guida, a partire
dalla stima dell'energia captabile nella successiva fase di parcheggio.
Un loop interno
definisce la potenza del sistema moto-generatore e l'ampiezza della variazione
del SOC attorno al valore finale (e quindi le strategie di start-stop del
generatore), a partire dalla stima della potenza media richiesta.
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.
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.