Applicazione del sistema di monitoraggio distribuito a quattro batterie

Una volta effettuati tutti i test preliminari riportati nei sotto-capitoli 10.1 e 10.2 e verificato il corretto funzionamento del sistema di monitoraggio, l’esperimento finale condotto è l’applicazione del sistema a quattro batterie al piombo acido poste in serie tra loro al fine di monitorarne la tensione e la corrente durante le fasi di carica e scarica. In particolare, sono svolti e illustrati nel seguito gli esperimenti relativi ad entrambi i processi appena nominati.

Il primo test è realizzato monitorando il processo di carica delle batterie e necessita, oltre alla configurazione della rete di comunicazione già illustrata nel precedente sotto-capitolo, di un caricabatterie; si è scelto di utilizzare il dispositivo SM82A 48V di Murphy disponibile in laboratorio, caratterizzato da una tensione continua in uscita di 48V e corrente massima di 1.5A [15]. Una volta eseguito lo script Matlab per l’acquisizione dei valori di tensione e corrente tramite porta seriale, i grafici restituiti dal programma sono visibili in figura 10.3.1.

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Figura 10.3.1: andamento di tensione e corrente della seconda e terza batteria della serie durante la fase di carica

In particolare, si sono monitorate la seconda e la terza batteria della serie complessiva; è evidente nel grafico in basso a sinistra di figura 10.3.1 come la corrente di carica, inizialmente di valore attorno ad 1.1A, decresca esponenzialmente nel tempo all’aumentare della tensione delle batterie monitorate. Tramite voltmetro si sono misurate le tensioni delle batterie della serie e si è notato, visibile anche nel grafico in alto a sinistra della medesima figura, uno squilibrio evidenziato in figura 10.3.2 tra le tensioni delle batterie monitorate.

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Figura 10.3.2: squilibrio fra le tensioni delle due batterie monitorate

Ciò è dovuto probabilmente al fatto che in parallelo ad ogni batteria monitorata vi è il circuito di acquisizione della tensione con relativa rete di comunicazione dei dati sul CAN bus; l’intero circuito costituisce un carico, seppur minimo, per l’accumulatore monitorato che lo alimenta e ne va ad influenzare quindi la tensione in fase di carica. A supporto di questa considerazione le misure con il voltmetro effettuate durante l’esperimento evidenziano come la tensione delle due batterie non monitorate risulti maggiore rispetto alla tensione degli accumulatori monitorati. A riprova del fenomeno appena descritto si è effettuato nuovamente il test di carica monitorando in particolare la seconda e la quarta batteria della serie, ottenendo l’andamento rappresentato in figura 10.3.3.

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Figura 10.3.3: andamento di tensione e corrente della seconda e quarta batteria della serie durante la fase di carica

Si può notare dal grafico in alto sinistra di figura 10.3.3 come la tensione della quarta batteria nel precedente test non monitorata sia sensibilmente maggiore di quella della seconda batteria, monitorata anche nel precedente test, ciò a conferma della lieve influenza del circuito di acquisizione e comunicazione della tensione sulla carica degli accumulatori monitorati. Inoltre, è visibile sempre nel medesimo grafico come la tensione della quarta batteria (andamento rosso in figura 10.3.3) inizialmente continui a crescere per poi cominciare a diminuire; questo può essere

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dovuto al fatto che l’accumulatore ha raggiunto la fase di fine carica, come si può constatare dalla piccola corrente di carica fornita dal caricabatterie, e quindi perda una tensione minima rispetto a quella raggiunta in precedenza in piena fase di carica. In figura 10.3.4 si può invece notare come la corrente di carica decresca molto rapidamente nella fase iniziale dell’acquisizione: tale diminuzione marcata è dovuta molto probabilmente alla raggiunta carica delle batterie della serie (ipotesi confermata dalla diminuzione della tensione della quarta batteria).

Figura 10.3.4: diminuzione marcata della corrente di carica

Le piccole fluttuazioni sulle grandezze monitorate visibili nei grafici sono dovute probabilmente alla corrente fornita dal caricabatterie; piccole variazioni istantanee internamente al dispositivo infatti vengono rilevate ed acquisite dal sistema di acquisizione e comunicazione, e poi restituite visivamente da Matlab. A tal proposito potrebbero avere una certa influenza anche i circuiti e i collegamenti fisici realizzati dall’utente, sensibili ad eventuali spostamenti spontanei delle connessioni.

Il secondo test realizzato riguarda invece la scarica delle batterie e dunque si sostituisce il caricabatterie con un reostato variabile, regolato ad inizio esperimento per costituire una resistenza di valore 40Ω così da limitare la corrente di scarica. I

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risultati ottenuti sono visibili in figura 10.3.5; si può vedere come nella fase iniziale del processo di scarica la tensione delle due batterie monitorate diminuisca marcatamente per poi assestarsi su un valore costante. Nella realtà la tensione degli accumulatori continua a diminuire però con derivata molto minore, quasi impercettibile nel breve periodo. Parallelamente la corrente di scarica nella prima metà del test (primi 500 campioni) rimane pressoché invariata intorno ai -0.6A; il segno negativo è dovuto all’inversione del verso della corrente in entrata alla sonda LEM rispetto al test di carica delle batterie effettuato precedentemente. Per una maggiore chiarezza visiva in figura 10.3.6 è rappresentata la fase iniziale della scarica, dove la resistenza di carico del reostato viene mantenuta costante pari a 40Ω.

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Figura 10.3.5:andamento di tensione e corrente della seconda e quarta batteria della serie durante la fase di scarica su resistenza di carico variabile

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Figura 10.3.6: andamento di corrente e tensioni delle batterie nella fase iniziale della scarica

Per ulteriore scrupolo la resistenza del reostato viene modificata in due momenti durante il test: il primo all’incirca dopo aver acquisito 500 campioni e il secondo poco prima dei 600. Si possono notare più nel dettaglio i due momenti di variazione della resistenza di carico in figura 10.3.7 cui corrisponde una leggera diminuzione della tensione della batteria e un più marcato aumento in valore assoluto della corrente di scarica, in accordo con le aspettative teoriche.

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Figura 10.3.7: andamento di corrente e tensioni delle batterie in corrispondenza di due aumenti della resistenza di carico

Come già spiegato in precedenza, le piccole fluttuazioni che contraddistinguono gli andamenti acquisiti di tensione e corrente dipendono sostanzialmente dalla circuiteria hardware; molti collegamenti effettuati per condurre il test sono infatti sensibili a piccoli spostamenti spontanei e ciò va ad inficiare le misure. È da tenere

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in considerazione tuttavia che tali perturbazioni sono talmente piccole (~1‰) da non condizionare in alcun modo le misure stesse.

L’esito positivo di questo ultimo esperimento conferma quanto già anticipato dai due test precedenti illustrati nei capitoli 10.1 e 10.2: la rete di comunicazione di un sistema di monitoraggio distribuito della carica e scarica di una batteria progettata e realizzata in questa trattazione è perfettamente applicabile e funzionante, garantendo un’acquisizione corretta e in real time, nonché elevata precisione, dei valori di tensione e corrente delle batterie monitorate.

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11. Sistema di monitoraggio distribuito basato su una rete di