Sistema di monitoraggio della carica per un autoveicolo elettrico a pannelli fotovoltaici

MOSFET DR

PWM Dbody

B-

0

POTENZIOMETRO

5KΩ

Figura 1.8 schema elettrico semplificato del convertitore presente sulla Panda Elettra.

Nello schema si nota la presenza di un secondo diodo denominato diodo di

recupero (DR) che serve per l’inversione della corrente in caso di frenata per

recuperare parte dell’energia spesa durante la stessa mantenendo però la macchina in

c.c. nel funzionamento da motore. Per fare questo il sistema sfrutta 4 teleruttori, in

modo che nella condizione di marcia in avanti 2 di essi siano chiusi e gli altri due

siano aperti, mentre in frenatura le posizioni si invertono e tramite il diodo DR circola

una corrente di verso opposto anche se il chopper è ad un solo quadrante.

- 20 - INTRODUZIONE

.

1.5 Cenni sulle batterie al piombo

Come accennato in precedenza il pacco batterie originale della Panda Elettra era

composto da 12 batterie da 6V e da 140 Ah al piombo-acido e sono poi state sostituite

con batterie da 210 Ah, questa tipologia di accumulatori utilizza elettrodi in Piombo

(catodo) e come elettrolita acido

spugnoso (anodo) e diossido di piombo PbO 2

solforico in soluzione acquosa (H SO ) in quantità di 4,5 mol/l.

2 4

Figura 1.9 Spaccato di una batteria al Piombo-acido.

Siccome la differenza di potenziale tra anodo e catodo in una pila di questo tipo

è di 2 V in ogni batteria sono presenti 3 elementi in serie per fornire i 6 V.

Normalmente è presente anche una lega di Piombo allo scopo di inibire l’elettrolisi

dell’acqua perché essa produce Idrogeno e Ossigeno provocando pericolo di

esplosioni.

Più in particolare nella fase di scarica la reazione anodica di ossidazione (si

definisce così una reazione chimica che porta ad un aumento del numero di

ossidazione del reagente principale) è la seguente:

+ -

4-

Pb + HSO -> PbSO + H + 2e

4 - 21 - INTRODUZIONE

La struttura anodica è, come detto, altamente porosa al fine di aumentare la

2 per Ah di capacità della batteria.

superficie di contatto dei reagenti a circa 150 m

Man mano che procede la fase di scarica la resistenza interna degli elettrodi

aumenta sia per la formazione di solfato di piombo (PbSO ) sia per il progressivo

4

consumo di acido solforico che comporta una riduzione di ioni liberi portatori di

carica.

La reazione catodica è:

4-

+ -

PbO + 3H + HSO + 2e -> PbSO + 2H O

2 4 2

Essa è una reazione di riduzione in quanto il reagente principale vede abbassarsi

il suo numero di ossidazione.

Infine la reazione complessiva della scarica (reazione di ossidoriduzione o

redox) è la seguente:

PbO + Pb + 2H SO -> 2PbSO + 2H O

2 2 4 4 2

Durante la carica invece avvengono le reazioni inverse di queste, e cioè il solfato

, Pb e H SO a patto di fornire tensione alla batteria

di piombo è riconvertito in PbO

2 2 4

in senso inverso a quella erogata, le reazioni che avvengono in questo caso sono:

− −

+ −

PbSO + 2 H O → PbO + 4 H + SO + 2 e all’anodo

4 2 2 4

− −

−

PbSO + 2 e → Pb + SO al catodo

4 4

2 PbSO + 2 H O → Pb + PbO + 2 H SO complessiva

4 2 2 2 4

Normalmente le batterie al piombo acido sono dette anche ad elettrolita libero

perché l’acido è libero di scorrere all’interno della batteria con il rischio di fuoriuscita

dello stesso, altro fattore negativo per queste tipologie di accumulatori è il fatto che

nonostante le precauzioni prese si ha comunque la formazione di Idrogeno e Ossigeno

quando la batteria si avvicina alla massima carica e ancora di più quando è

- 22 - INTRODUZIONE

sovraccarica (ecco perché in genere si cerca di non superare il limite convenzionale

è un composto molto poco solubile in acqua e

dell’80% di carica). Infine il PbSO 4

quindi si rischia, quando la batteria è eccessivamente scarica (o è scarica per molto

tempo), che si formino dei veri e propri grumi bianchi (visibili bene anche a occhio

nudo) che se troppo grossi non si riesce a riconvertire nei reagenti originali neanche

fornendo energia elettrica alla batteria.

Molto più efficienti da questo punto di vista sono le batterie al piombo-gel, nelle

quali l’elettrolita non è liquido ma gelificato e perciò non è libero di muoversi

all’interno della batteria, oppure è intrappolato in un setto assorbente.

Figura 1.10 batteria VRLA (Valve regulated sealed lead-acid) al piombo-gel.

- 23 - INTRODUZIONE

Nella figura seguente mostriamo invece il pacco batterie posteriore

dell’autoveicolo Panda Elettra:

Figura 1.11 Vano batterie posteriore dell’autoveicolo Panda Elettra.

- 24 - I MODELLI IN SIMULINK DI MATLAB

Capitolo II

PROVE SPERIMENTALI .

2.1 Il sistema di acquisizione NI compact RIO

Il termine cRIO sta per compact Reprogrammable Input Output, il che vuol dire

che l’apparecchio è un sistema riprogrammabile (tramite il software LabVIEW Real-

Time 8.5) di acquisizione, ma anche di controllo. Data la sua struttura compatta e

robusta in ghisa, è particolarmente adatto alle applicazioni Real-Time anche in

condizioni di lavoro gravose (ad esempio nel caso della trazione elettrica, in cui è

soggetto a vibrazioni), in un range di temperatura che va da -40 a 70°C.

È composto di tre parti principali:

Il processore centrale

•

• Lo chassis con gli alloggiamenti per i vari moduli per l’interfaccia con il

sistema da controllare.

I moduli di input e output analogici o digitali

• - 25 - PROVE SPERIMENTALI

Il cRIO utilizzato per l’esperimento è visualizzato in figura:

Figura 2.1 vista del I cRIO.

Nella foto sono stati evidenziati il processore centrale (a destra), lo chassis (in

basso) e il modulo di acquisizione ni 9205 della National Instruments alloggiato nello

chassis del cRIO (a sinistra). - 26 - PROVE SPERIMENTALI

.

2.1.1 Il processore centrale NI cRIO 9014

Figura 2.2 processore centrale del I cRIO

Il cRIO 9014 è il cuore dell’intero sistema e ha una memoria volatile DRAM da

128 MB e una non volatile da 2 GB e può essere connesso al computer che lo pilota

tramite connessione Ethernet, tramite porta seriale RS232, oppure tramite USB 2.0.

Esso inoltre supporta i protocolli di connessione TCP/IP, UDP, Modbus/TCP per

condividere dati con il PC tramite il classico sistema del Client/Server ma anche i

protocolli HTTP e FTP.

La porta USB 2.0 può eventualmente essere utilizzata per collegare al sistema

una memoria supplementare come ad esempio una memoria flash o un hard disk

esterno.

Il processore può essere poi connesso a qualsiasi chassis a 4 o 8 slot della serie

NI cRIO 901x, il cui sistema FPGA integrato controlla ciascun modulo I/O ad esso

collegato e trasferisce i dati al processore tramite un bus dedicato.

Il processore utilizza un sistema operativo LabVIEW Real-Time (VxWorks),

che consente di assemblare e configurare rapidamente il sistema cRIO per

l’applicazione desiderata. - 27 - PROVE SPERIMENTALI

.

2.1.2 Lo chassis

Figura 2.3 chassis del I 9014.

Esso è anche un sistema di controllo integrato FPGA (field-programmable gate

array), da collegare al processore del cRIO fornendo la possibilità di comunicare con

un massimo di 8 moduli di input e output (analogici o digitali) ma portando a 20 W il

consumo della macchina (normalmente sarebbe 6 W). .

2.1.3 Il modulo di acquisizione analogica NI 9205

Figura 2.4 moduli di acquisizione serie C della ational Instruments.

- 28 - PROVE SPERIMENTALI

Si tratta di un modulo di acquisizione analogica di tensione della serie C della

National Instruments a 32 canali di acquisizione Single Ended (cioè con massa

comune) oppure 16 canali differenziali (il motivo per cui abbiamo scelto di utilizzare

questo modulo è proprio il fatto di avere dei canali differenziali, meno sensibili al

rumore e che consentono un circuito di collegamento più semplice). Ha una

risoluzione di 16 bit, un Sample Rate (frequenza di campionamento) di 250 kS/s

(kiloSamples/second) e un range di tensione selezionabile tra ±200 mV, ±1 V, ±5 V e

±10 V (che è il range scelto da noi perché va bene per le batterie che non superano i 7

V ma ci costringe per i pannelli fotovoltaici che hanno tensione di circa 17 V ad usare

dei convertitori LEM di tensione). Il modulo ha i terminali isolati da terra e consente

connessioni tramite D-SUB (che però riduce il range di tensione) oppure con uno

Spring Terminal come è stato fatto nel nostro caso.

Il collegamento con lo chassis avviene invece tramite una porta seriale posta

nella parte inferiore del modulo stesso.

Il circuito di input di un canale del modulo si può schematizzare nel modo

seguente:

Figura 2.4 circuito di input di un canale dell’I 9205 in modalità differenziale.

. - 29 - PROVE SPERIMENTALI

Da esso si evince che le acquisizioni vengono muxate e mandate ad un

amplificatore differenziale prima di passare all’ADC vero e proprio (analogic-digital

converter) che lo manda poi allo chassis e quindi al processore della macchina. Il

piedino COM serve per la misura in RSE (Referenced Single-Ended) cioè per

utilizzare tutti i 32 canali per eseguire misure prendendolo come riferimento, mentre il

piedino AISENSE serve ad eseguire misure di tipo NRSE (Non-Referenced Single-

Ended) che invece utilizza il piedino AISENSE come comune il quale corrisponde al

negativo dell’amplificatore fornendo quindi un segnale meno soggetto al rumore.

Il collegamento tra i moduli e lo chassis avviene tramite porta seriale posta nella

parte interna inferiore dello chassis.

2.2 Programmazione del sistema di acquisizione per la

.

Panda

Per pilotare e programmare le apparecchiature della National Instruments, la

stessa ha realizzato il software LabVIEW che consente con una intuitiva interfaccia

grafica e senza conoscere linguaggi di programmazione dedicati di eseguire anche le

operazioni più complesse disponendo delle librerie dedicate a ciascun componente

(non solo il cRIO, che utilizza le librerie Real-Time 8.5, ma anche ad esempio i

moduli Field Point già utilizzati in passato, oppure ancora i sistemi NIDAQ, e altro

ancora).

Una simulazione o una acquisizione/controllo in LabVIEW, viene realizzato in

file con estensione .vi (Virtual Instruments), i quali sono composti di due parti

principali:

• Il Front Panel

Il Block Diagram Panel

•

Il primo è il pannello che è asservito al controllo e alla visualizzazione dei

risultati dell’esperimento utilizzando manopole virtuali, led e oscilloscopi o diagrammi

di vario genere (incluse tabelle e matrici). Il suo funzionamento è del tutto simile al

soft