Misura e analisi della potenza elettrica a bordo di veicoli ibridi ed elettrici presso il Joint Research Center (Ispra – Italia)

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"È stato possibile soddisfare tutti i requisiti del progetto garantendo la qualità necessaria per essere conformi alle normative internazionali in materia di misura e analisi della potenza elettrica."

- Stefano Vianelli, EURINS

The Challenge:
Realizzare un datalogger versatile, robusto e compatto capace di misurare i segnali presenti a bordo veicolo scaturiti dai nodi di accumulo, distribuzione e utilizzo della potenza elettrica sia DC che AC, oltre che dalle centraline su bus CAN, da sensori “radizionali e da GPS.

The Solution:
Allestire il nuovo NI CompactRIO-9068 con moduli hardware specifici per i segnali da acquisire, sviluppando e integrando i componenti software (Windows, Real-Time e FPGA) per l’acquisizione sincrona dalle varie sorgenti di dati.

Author(s):
Stefano Vianelli - EURINS

Applicazione
È opinione diffusa che i veicoli elettrici potranno risolvere, o almeno mitigare, i problemi di inquinamento da autotrazione solo quando saranno disponibili nuove tecnologie a costi accessibili a tutti, ovvero quando ci saranno batterie con maggiore densità di accumulo, veicoli estremamente leggeri ma sicuri, capillarità dei nodi di ricarica, il tutto a costi per il consumatore paragonabili agli ormai ultra centenari veicoli tradizionali.

Intanto il compromesso più diffuso è l’ibridazione dei motori a combustione interna, con soluzioni e architetture differenti secondo il livello di complessità e di costi che ci si pone come obiettivo, con i produttori essenzialmente divisi tra chi inventa e chi a questi si ispira.

Alcune delle considerazioni maggiormente prioritarie riguardano il bilancio energetico dei veicoli elettrici come pure delle componenti ibride in caso di sinergia con motori termici, sia a trazione che con ricarica a bordo (range extender), poiché un utilizzo non efficiente dell’energia elettrica accumulata si traduce in un maggiore inquinamento globale,  legato alla produzione remota di quell’energia.

Il centro di ricerca ha commissionato a EURINS un sistema a elevato livello di integrazione per misurare a bordo veicolo tutti i parametri necessari per una completa caratterizzazione, sia in strada che in banco prova. Queste attività non possono essere svolte utilizzando la tradizionale strumentazione da laboratorio, sia perché sarebbe poi necessario unificare i dati provenienti dai singoli specifici strumenti, e perché nelle prove in strada occorre compattezza, robustezza e affidabilità, oltre a qualità uguale o superiore rispetto alla strumentazione di riferimento.

Utilizzando la piattaforma hardware NI CompactRIO, la libreria software NI Electrical Power Suite per LabVIEW e NI DIAdem, è stato possibile soddisfare tutti i requisiti del progetto garantendo la qualità necessaria per essere conformi alle normative internazionali in materia di misura e analisi della potenza elettrica .

Con lo stesso sistema è inoltre possibile misurare i flussi di energia elettrica durante la ricarica delle batterie a bordo veicolo quando questo è collegato alle colonnine pubbliche o ai quadri per uso domestico. Oltre alle tensioni e alle correnti in AC o in DC a seconda dei prodotti, risulta particolarmente utile acquisire anche il segnale pilota che costituisce il protocollo di comunicazione (handshake) tra l’elettronica di gestione nel veicolo e quella nel dispositivo di ricarica. Una linea digitale cambia il proprio livello secondo step discreti di tensione (0, 3, 6, 9, 12 Volt) e diventa un’onda quadra a duty cycle variabile in base all’inizio della ricarica, con un flusso di energia massimo o parzializzato, con le batterie quasi cariche o il cavo staccato.

Abbinare queste misure a tutte le altre grandezze analogiche e digitali, acquisite nei vari nodi del veicolo dove sia significativo valutare il bilancio energetico, costituisce una caratteristica di assoluta innovazione rispetto alla strumentazione tradizionale di derivazione industriale o da laboratorio, con  i dati tutti disponibili all’interno di un singolo file, e quindi sincroni sulla stessa base dei tempi, già pronti sia per un controllo di qualità sul campo che per approfondite analisi e generazione di report, grazie all'utilizzo di NI DIAdem, e MATLAB.

Caratteristiche del sistema
• Datalogger su piattaforma NI CompactRIO per l’acquisizione e il salvataggio dei dati abbinato a un PC portatile Windows collegato via ethernet dove configurare il sistema, ricevere ed analizzare i dati

• 2 moduli NI 9225 per un totale di 6 canali differenziali a campionamento simultaneo (24 bit, 50 kS/s/ch, banda passante 24.6 kHz) per segnali in tensione fino a 300 V rms, possibilità di misurare tensioni molto più elevate mediante partitori di tensione e trasformatori di tensione grazie all’utilizzo di un A/D converter a 24 bit

• 2 moduli NI 9227 per un totale di 8 canali differenziali a campionamento simultaneo (24 bit, 50 kS/s/ch, banda passante 24.6 kHz) per segnali in corrente fino a 5 A rms, possibilità di misurare correnti molto più elevate mediante trasformatori di corrente grazie all’utilizzo di un A/D converter a 24 bit (rapporti da “5:5 A” a “1600:5 A” con risoluzione da 0.3 µA rms a 96 µA rms)

• 6 canali in tensione e 8 canali in corrente per linee di potenza permettono la misura simultanea e sincrona, ovvero fasata a livello FPGA, delle tensioni e delle correnti (e quindi della potenza e delle sue componenti attive, reattive, apparenti, come pure delle armoniche, dei transienti e del consumo di corrente secondo lo standard EN 50160:2007) contemporaneamente sulle tre fasi più neutro in 2 nodi del veicolo, tipicamente a monte e a valle di un sottosistema per valutarne l’efficienza nel bilancio energetico totale, oppure in 6 (8) nodi monofase distribuiti

• Le misure di corrente utilizzano trasformatori “split core” oppure pinze amperometriche a effetto Hall, quindi non è mai necessario interrompere i cablaggi del veicolo

• Le misure e i calcoli rientrano nello standard IEC 61000-4-30:2008 (Power frequency, Magnitude of the supply voltage, Flicker (IEC 61000-4-15), Supply voltage dips and swells, Voltage interruptions, Supply voltage unbalance, Voltage harmonics (IEC 61000-4-7), Mains signaling voltage on the supply voltage, Rapid voltage changes (RVC) (IEC 61000-4-30), Sag/Swell/Interruption at standard or custom levels (IEC 61000-4-30), Measurement of under-deviation and over-deviation parameters)

• Le acquisizioni possono essere ricampionate sincronizzandosi a una frequenza portante, per esempio nel caso di misure della potenza durante la ricarica da impianto fisso, oppure utilizzare frequenze di campionamento selezionabili per digitalizzare tutti i contenuti d’interesse e poi farne le analisi sia nel tempo che in frequenza

• 1 modulo NI 9853 con 2 porte CAN high speed e 4 moduli NI USB-8473 (con altre 4 porte CAN high speed disponibili nel computer) per un totale di 6 linee CAN indipendenti gestibili contemporaneamente in lettura e scrittura dei messaggi (ID a 11 e 29 bit, baud rate fino a 1 Mbps) secondo gli standard DBC, OBD, FMS, J1939 con la disponibilità di un editor per la creazione di messaggi personalizzati per interpretare i flussi non codificati

• 1 ricevitore GPS (standard NMEA) per l’acquisizione continua della posizione geografica, della direzione, del tempo assoluto e della velocità rispetto al suolo.

Conclusioni
Il sistema è destinato a ulteriori sviluppi per essere sempre più completo ed efficace, seguendo quelle che saranno lenuove esigenze di misura e i nuovi obiettivi di indagine. L’elettrificazione della trazione nei veicoli coinvolgerà tecnologie all’avanguardia per le batterie, i cavi, i motori elettrici, gli inverter e i dispositivi di gestione, quindi sarà sempre più necessario unire le misure a bordo su tutti i componenti, sia tradizionali che innovativi, per disporre rapidamente di informazioni affidabili.

Author Information:
Stefano Vianelli
EURINS

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