Sistema di monitoraggio per l’equalizzazione della carica in un veicolo elettrico con pannelli fotovoltaici.

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UIVERSITA’ DEGLI STUDI DI 
CATAIA 
FACOLTA’ DI IGEGERIA 
Corso di Laurea in Ingegneria Elettrica 
Dipartimento di Ingegneria Elettrica, Elettronica e dei Sistemi 
 
 
 
Tignino Silvestro Danilo 
 
 
 
 
 
Sistema di monitoraggio  
per l’equalizzazione della carica  
in un veicolo elettrico con pannelli fotovoltaici. 
 
 
 
 
 
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Tesi di Laurea 
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Relatore: 
Chiar.mo Prof. Ing. Mario Cacciato 
 
Correlatore: 
Chiar.mo Prof. Ing. Giuseppe Scarcella                                                    
Anno Accademico 2007-2008
INTRODUZIONE 
 
 
 
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PREMESSA 
 
 
Lo scopo di questa tesi è quello di realizzare un sistema di acquisizione per 
un’applicazione automobilistica. In particolare, è stato monitorato un sistema 
fotovoltaico di equalizzazione della carica del pacco batterie di un autoveicolo 
elettrico. 
Con questa tesi si vuole altresì dimostrare (anche tramite l’ausilio di simulazioni 
utilizzando l’applicazione Simulink di MATLAB) il vantaggio economico che si 
trarrebbe dall’utilizzo della tecnologia fotovoltaica applicata ad un autoveicolo 
elettrico o ibrido. Tale sistema consentirebbe di ricaricare parzialmente le batterie del 
veicolo stesso e di renderne eguale lo Stato di Carica, in modo da utilizzarle in modo 
più omogeneo ed aumentarne la durata e l’autonomia. 
Come si vedrà nel seguito della tesi, l’autoveicolo in esame non era in origine un 
veicolo solare, pertanto nell’esaminare i dati delle simulazioni e dei test sperimentali si 
dovrà tenere presente questo fatto, considerando che un autoveicolo solare, già 
progettato e costruito specificatamente per questo scopo avrà migliori prestazioni in 
termini soprattutto di autonomia delle batterie (ne esistono diversi modelli alcuni già 
pronti per la produzione di massa, come la FIAT Philla).
INTRODUZIONE 
 
 
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Capitolo I 
INTRODUZIONE 
 
1.1 La storia delle automobili elettriche. 
 
1.1.1 Gli albori. 
 
Si definisce veicolo elettrico un veicolo in cui al posto del normale motore a 
combustione interna (o endotermico) per la trazione dell’autoveicolo stesso è presente 
uno o più motori elettrici alimentati tramite un pacco batterie e controllato da un 
chopper (motore in corrente continua) o da un inverter (motore in corrente alternata, 
generalmente asincrono) diversamente da un veicolo ibrido che invece ha la 
compresenza di un motore elettrico e di uno a combustione interna (come accade nella 
Toyota Prius e nella Ford Escape).  
Prima dell’anno 1830 la trazione e il trasporto erano esclusivamente del tipo a 
vapore (fatta esclusione per la trazione animale), questo perché, sebbene Faraday 
dimostrò il principio del motore elettrico nel 1820, le leggi dell’elettromagnetismo 
furono scoperte e formulate dallo stesso Faraday solo nel 1831 anno in cui si iniziò a 
costruire i primi motori elettrici in corrente continua. Già nel 1834 fu costruita la 
prima automobile a batteria (non ricaricabile) che fu usata per un breve tratto 
sperimentale. 
Nel 1859 fu sviluppata la prima batteria al piombo e anni dopo, intorno al 1870 i 
primi generatori in corrente continua (dinamo). Il periodo di declino iniziò nel 1885 
quando nacque la prima automobile a gasolio. 
Un esempio di automobile (risalente al 1897) è la French Krieger and co. Del 
peso di 2230 lb (1011,51 kg circa); con velocità di punta 15 mph (24 km/h circa); e 
autonomia di 50 miglia con batteria totalmente carica. Già nel 1911 la costruzione di 
veicoli elettrici venne abbandonata dopo l’invenzione dello starter che rendeva molto 
più semplice l’avviamento dei motori a gasolio e con la produzione di massa che iniziò 
negli anni successivi ad opera della neonata Ford, senza contare la difficoltà di accesso 
all’energia elettrica nelle zone rurali (problema tra l’altro ancora attuale anche se in 
misura minore).
INTRODUZIONE 
 
 
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1.1.2 Il 1960. 
 
Nel 1960 le ricerche furono riprese dalla General Motors e dalla Ford, a causa 
delle emissioni tossiche e inquinanti dei veicoli a combustione interna (detti in inglese 
ICEV, cioè Internal Combustion Engine Vehicle), che già allora erano un problema 
importante. In particolare la General Motors iniziò un programma da 15 milioni di 
dollari culminato con la creazione dei veicoli ELETTRVAIR ed ELETTROVAIR II. I 
due veicoli utilizzavano un motore asincrono trifase da 115 CV, batterie Ag-Zn 
(attualmente abbandonate nella trazione elettrica perché molto costose e pesanti, con 
un ciclo di scarica molto corto e un tempo di ricarica lento) da 512 V che pilotavano il 
motore tramite un inverter ad SCR. I veicoli raggiungevano una velocità di punta di 80 
mph (circa 130 km/h), un’autonomia di circa 40-80 miglia (da 65 a 130 km) e 
pesavano 3400 lb (1542 kg di cui 308 di pacco batterie). In quegli anni nacque anche 
negli USA la “Great Electric Car Race” una competizione in cross-country (cioè su 
strade di campagna) di 3300 miglia che servì da incentivo per la progettazione di 
nuove auto elettriche. 
 
 
 
1.1.3 Dagli anni 1970 a oggi. 
 
 Ma fu negli anni 70 che, con l’embargo del petrolio imposto dai Paesi arabi  
(nel 1973) che si pensò seriamente all’utilizzo di un veicolo elettrico con una legge 
americana che ne favoriva la ricerca. 
Ad esempio negli Stati Uniti il Congresso decise di varare una legge allo scopo 
di favorire la ricerca nel campo dei veicoli a trazione elettrica (il cosiddetto Electric 
and Hybrid Vehicle Research, Development and Demonstration Act del 1976), la 
quale definiva anche le caratteristiche standard che doveva avere un veicolo elettrico 
commercialmente valido. 
In questo periodo nacque ad esempio il GM EV della General Motors che aveva 
un motore DC ad eccitazione indipendente da 34 CV e un pacco batterie da 120 V in 
Ni-Zn del peso di circa 333 kg.
INTRODUZIONE 
 
 
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Il convertitore che pilotava il motore era un chopper ad SCR per il circuito di 
armatura ed uno a BJT per quello di eccitazione. 
Negli anni 1980 e 1990 con lo sviluppo dei convertitori ad elevata frequenza di 
switch e dei microprocessori, fu possibile migliorare parecchio le prestazioni dei 
convertitori che pilotavano i motori di trazione dei veicoli elettrici. Altra spinta arrivò 
anche dai miglioramenti ottenuti nel campo della autonomia (il problema più grave 
delle automobili elettriche) tramite la progettazione di nuovi tipi più efficienti di 
batterie (oggi un brand di ricerca punta sull’utilizzo di batterie agli ioni di Litio simili 
ai modelli per telefonia mobile che però per grandi potenze hanno problemi legati alla 
possibilità di esplosione) e soprattutto alla possibilità di sostituire completamente le 
batterie con celle a combustibile che con una carica di Idrogeno generano energia 
elettrica e acqua come prodotto di scarto (tuttavia esistono ancora oggi problemi legati 
al trasporto e allo stoccaggio dell’Idrogeno che richiede un sistema di serbatoi a 200 
atm, oppure un sistema di rigenerazione utilizzando ad esempio l’alcool etilico). 
Dopo che è stato stilato il protocollo di Kyoto per la riduzione degli agenti 
inquinanti per l’atmosfera quali soprattutto ossidi di azoto NO
x
, gli ossidi di carbonio 
CO e CO
2
 e soprattutto gli ossidi di zolfo SO
2
 e SO
3
, si cominciò a parlare dei 
cosiddetti veicoli a emissioni zero (i veicoli ibridi quali la toyota Prius non sono a 
emissioni zero perché hanno comunque un motore a combustione interna) di cui i 
veicoli elettrici sono l’esempio principale. Ci furono incentivi  statali per la 
fabbricazione, la vendita e l’acquisto di veicoli elettrici (da poco anche in Italia 
esistono incentivi di questo tipo) ai tempi lo scopo era quello di portare la percentuale 
di veicoli elettrici al 10% del totale entro il 2003, percentuale ridimensionata poi al 6% 
visto l’andamento delle vendite in tutto il mondo.  
Un esempio di veicolo realizzato in quegli anni (oltre all’autoveicolo Panda 
Elettra oggetto della tesi, realizzata ed immatricolata nel 1995), è la GM Impact 3 (del 
1993) omologata per due passeggeri (come la Panda Elettra), del peso di 1315 kg (di 
cui 394 di solo pacco batterie), utilizzante un motore asincrono trifase da 137 CV, e un 
pacco batterie da 312V (26x12 V) al Piombo-acido (le più usate attualmente anche 
negli autoveicoli a combustione interna), che pilota il motore tramite un inverter ad 
IGBT (insulated gate bipolar transistor). Il veicolo poteva raggiungere la velocità 
massima di 120 km/h con un’autonomia di 145 km in autostrada.
INTRODUZIONE 
 
 
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Recentemente sono poi apparsi altri modelli di case produttrici famose come la 
Peugeot 106 Electric, la Ford Think City, la Toyota RAV4 e la Nissan Hypermini. 
 
1.2 Gli autoveicoli Solari. 
Le cosiddette auto solari, cioè quelle che utilizzano pannelli solari per la carica 
delle batterie nacquero invece intorno agli anni ’80 con l invenzione della “Solectria”  
costruita da Worden nei primi anni del decennio e con l istituzione nel 1987 della 
competizione World Solar Challenge (che ancora oggi si corre su un tracciato di 3000 
km nel deserto australiano) che costituì un motivo di ispirazione per nuovi progetti di 
auto solari. 
Strutturalmente le auto solari hanno una forma molto particolare, essendo piatte, 
monoposto, fatte di materiali molto leggeri (spesso alluminio o anche vetroresina) e 
con la superficie interamente ricoperta di pannelli fotovoltaici ad alta efficienza allo 
scopo di ridurre al minimo le perdite di energia di qualsiasi tipo (sia di natura 
meccanica che elettrica) i quali forniscono energia alle batterie che tramite convertitori 
la manderanno al motore elettrico come nelle normali auto elettriche di cui si è parlato.