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Ciclomotore a trazione elettrica

ciclomotore trazione elettrica

Come avrete capito dal titolo, il nostro veicolo a trazione elettrica non è un’automobile ma bensì, più semplicemente, un ciclomotore.

Sempre più spesso si parla di veicoli a trazione elettrica e più in generale di veicoli ZEV, ad emissione zero (ZEV = Zero Emission Vehicle). L’inquinamento prodotto dai motori a scoppio con tutte le conseguenze del caso (non ultimo il buco nell’ozono) nonché l’esaurirsi delle fonti energetiche non rinnovabili (ci riferiamo in modo particolare al petrolio) hanno indotto i governi dei principali paesi industrializzati ad imporre norme più severe per quanto riguarda gli scarichi dei veicoli (vedi, ad esempio, la marmitta catalitica); in alcuni casi, come in California dove il locale parlamento si è spinto ben oltre imponendo una percentuale sempre maggiore di veicoli ZEV sulle nuove immatricolazioni, tra pochi anni, praticamente, i veicoli a combustione interna non potranno più circolare.

Per tutti questi motivi le principali Case automobilistiche stanno cercando un’alternativa alle attuali vetture a combustione interna, alternativa ancora più impellente se si pensa che tra pochi anni in molti paesi in via di sviluppo (Cina, India, Russia, Sud America) assisteremo ad un vero e proprio boom delle immatricolazioni di autovetture, simile a quello italiano degli anni sessanta. Con una piccola differenza: noi eravamo in 50-60 milioni mentre gli abitanti di questi paesi nel loro complesso assommano a 23 miliardi di individui! Ad onore del vero da molti anni tutte le principali Case si stanno impegnando a fondo in questo campo, cercando di superare gli ostacoli tecnici che ancora oggi impediscono una commercializzazione di massa di tali veicoli. Molti progetti sono già a buon punto e sicuramente nei prossimi anni le novità in questo settore non mancheranno. Purtroppo numerosi altri interessi di differente natura stanno ritardando lo sviluppo dei veicoli ad emissione zero.

C’è anche da dire che i motivi di natura tecnica che ostacolano la produzione e la diffusione di massa di tali veicoli sono seri ed importanti. Attualmente per ridurre l’inquinamento dei veicoli ed ottimizzare i consumi energetici si stanno percorrendo strade diverse ma a tutt’oggi non si intravede ancora una soluzione definitiva. Tra le soluzioni ormai in dirittura di arrivo c’è quella dei veicoli ibridi con due motori, uno a combustione interna (a benzina o diesel) ed uno elettrico. Durante i percorsi extraurbani viene utilizzato il motore a scoppio il quale, oltre a fare avanzare la vettura, ricarica le batterie di cui è dotata l’auto; in città entra in funzione il motore elettrico che utilizza l’energia accumulata dalle batterie. Questa soluzione consente di realizzare vetture con buone prestazioni, notevole autonomia, indipendenza nella ricarica delle batterie; per contro la presenza dei due motori e delle batterie limita notevolmente lo spazio interno e contribuisce a fare lievitare il costo complessivo del veicolo.

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Schema elettrico del regolatore di velocità del motore (chopper). Il circuito lavora in PWM con possibilità di variare il duty-cycle dallo zero al cento per cento. Con questa tecnica è possibile ottenere una buona regolazione della velocità con una coppia costante in qualsiasi condizione di lavoro. Lo stadio di potenza utilizza otto mosfet IRF540 collegati in parallelo. I trimmer R10 e R11 consentono di modificare il campo di azione dello slider P1 in modo da ottenere un’escursione ottimale in funzione della corsa del cavo di accelerazione.

Inoltre non vi è alcun risparmio dal punto di vista delle fonti energetiche non rinnovabili e l’inquinamento prodotto complessivamente dal veicolo si riduce di poco. Certo, se nelle nostre città circolassero esclusivamente veicoli di questo tipo, l’inquinamento nei centri urbani scenderebbe praticamente a zero. L’altra soluzione è quella rappresentata dall’auto elettrica. Questi veicoli si spostano grazie ad un motore elettrico alimentato da una batteria di accumulatori che viene ricaricata di notte mediante una normale presa di corrente. Il problema principale di questi veicoli è rappresentato dalla scarsa capacità del “serbatoio”, in questo caso rappresentato dalle batterie. Nonostante gli enormi investimenti in questo settore, il rapporto peso/energia dei migliori accumulatori è dell’ordine di 10-15 grammi/watt. Ciò significa, ad esempio, che per accumulare l’energia necessaria ad alimentare per tre ore un motore da 50 cavalli (poco meno di 40 KW) è necessario disporre di un serbatoio del peso di quasi 2 tonnellate (40 KW x 3 x 0,015 Kg = 1800 Kg)!

Francamente ancora un po’ troppo. Tuttavia, accontentandoci di prestazioni più modeste, già oggi è possibile viaggiare con veicoli a trazione elettrica, come dimostra il progetto descritto in queste pagine realizzato in collaborazione con la ditta Futura Elettronica. Come avrete capito dal titolo, il nostro veicolo a trazione elettrica non è un’automobile ma bensì, più semplicemente, un ciclomotore. Lo scopo di questo progetto è duplice: prendere confidenza con le problematiche relative alla trazione elettrica e realizzare, con una spesa irrisoria, un veicolo ecologico da utilizzare tutti i giorni per andare a scuola o al lavoro. Il nostro progetto può essere adattato praticamente a qualsiasi tipo di ciclomotore, anche al “rottame” che molti di voi avranno in cantina.

ciclomotore_schema_blocchi

Se non ne possedete uno, potrete rivolgervi a qualche sfasciacarrozze: non è necessario che il ciclomotore sia funzionante, basta che il telaio sia in buono stato. Le modifiche da apportare sono di due tipi: meccaniche ed elettriche. In pratica il motore a scoppio va sostituito con un motore elettrico a 12 volt di potenza compresa tra 200 e 250 watt; bisogna poi effettuare le altre modifiche di natura meccanica (aggiunta di pulegge, cinghie e quant’altro serve) in modo da garantire la trasmissione del moto con le minori perdite possibili dal motore alla ruota. Di questo aspetto del progetto ci occuperemo nella prossima puntata nella quale presenteremo anche il circuito per la ricarica della batteria. A dire il vero i circuiti sono due, uno da collegare alla rete a 220 volt e l’altro, addirittura, ad energia solare. In questa puntata ci occuperemo dunque esclusivamente del circuito elettrico del motorino, in modo particolare del chopper che consente di regolare la velocità del motore.

Come si vede nelle illustrazioni, l’impianto elettrico del nostro ciclomotore è composto essenzialmente da una batteria ermetica al piombo a 12 volt con una capacità di 38 A/h, da un motore a 12 volt a 4800 giri e da un regolatore elettronico della velocità (chopper). Alla massima velocità il motore garantisce una velocità di poco superiore ai 30 Km/h ed assorbe una corrente di 18 ampère; la batteria consente pertanto un’autonomia di circa 2 ore che corrispondono a circa 60 chilometri. E’ evidente che utilizzando una batteria di maggiore capacità l’autonomia aumenta in proporzione.

ciclomotore_pcb

Tuttavia una batteria più potente risulta anche più pesante e più ingombrante e, trattandosi di un ciclomotore, non bisogna esagerare. D’altra parte, per un uso normale, 60 chilometri di autonomia e 30 chilometri orari di velocità massima sono più che sufficienti. Occupiamoci subito del circuito di regolazione della velocità.

Il regolatore

Questo dispositivo è composto da un generatore di impulsi ad ampiezza variabile (in sostanza un PWM) che fa capo agli integrati U1 e U2 e da uno stadio di potenza a mosfet che controlla il motore in corrente continua. Questo tipo di circuito consente di ottenere una buona regolazione della velocità con una coppia costante in qualsiasi condizione di lavoro. La regolazione in PWM consente anche un ottimo rendimento energetico; infatti lo stadio di potenza si comporta come un interruttore: sempre acceso o sempre spento. E’ evidente che in questo modo la potenza dissipata è minima. La particolarità di questo circuito di regolazione risiede nella possibilità di ottenere un duty-cycle variabile dallo zero al cento per cento. In pratica con il cursore del potenziometro completamente da un parte non c’è alcun impulso e quindi il motore è fermo mentre, dalla parte opposta, tutta la tensione giunge al motore che può così ruotare alla massima velocità.

Il realtà per P1 abbiamo utilizzato uno slider della lunghezza di 20 millimetri; in questo modo è possibile, come vedremo in seguito, controllare il movimento del cursore con il cavo di accelerazione del motorino. I trimmer R10 e R11 consentono di modificare il campo di azione dello slider in modo da ottenere un’escursione ottimale in funzione della corsa del cavo di accelerazione. Lo stadio di regolazione viene alimentato con una tensione a 9 volt fornita dal regolatore a tre pin U3, un 7809 appunto. I transistor T9 e T10 amplificano in corrente gli impulsi che vengono poi inviati allo stadio di potenza composto da 8 mosfet collegati in parallelo tra loro. L’impiego di un numero così alto di mosfet consente al circuito di operare con correnti elevatissime, dell’ordine di 200 ampère. L’assorbimento del motore, infatti, non è costante: a fronte di una corrente nominale di 18 ampère, la corrente di spunto può raggiungere e superare i 100 ampère.

E’ evidente, dunque, che il nostro chopper deve poter erogare senza problemi correnti di questa intensità. I diodi D3,D4 e D5 eliminano le tensioni parassite prodotte dal motore. Il chopper dispone di due interruttori: con S1 si toglie tensione al circuito di regolazione mentre con l’interruttore generale si scollega il circuito posto a valle della batteria. La realizzazione del chopper non presenta particolari problemi. Come si vede nelle immagini e nei disegni, tutti i componenti sono stati montati su un circuito stampato appositamente realizzato per lo scopo. Gli otto mosfet sono saldati dal lato rame in modo da poter fissare gli stessi ad un dissipatore di calore in alluminio. Allo stesso dissipatore sono fissati i tre diodi di potenza.

Tutti questi componenti vanno montati senza isolamento in modo da garantire la migliore dissipazione possibile. Il blocco di alluminio risulta pertanto elettricamente connesso all’uscita di controllo del motore, precisamente al terminale negativo (- MOTOR) dello schema. In considerazione delle notevoli correnti in gioco, i collegamenti tra la batteria, il chopper ed il motore vanno realizzati con cavi di diametro adeguato (almeno 10 millimetri quadri). Alla basetta vanno anche collegati l’interruttore S1 e lo slider P1; per questi collegamenti abbiamo previsto dei morsetti a passo 5 millimetri. Il punto contraddistinto dalla lettera “A” va collegato al positivo di alimentazione, quello identificato con la lettera “B” va connesso al catodo di D3 ed infine, quello con la lettera “C” al negativo della batteria. Ultimato il cablaggio della basetta, prima di montare il tutto sul ciclomotore, è consigliabile verificare al banco il corretto funzionamento del circuito di regolazione collegando tra loro batteria, chopper e motore.

In particolare vanno regolati i trimmer R11 e R10 in modo da ottenere l’escursione ottimale dal parte dello slider P1. A questo punto il circuito elettrico è pronto per poter essere montato sul motorino. Prima però, come vedremo il prossimo mese, al ciclomotore vanno apportate tutte le modifiche del caso. Nella prossima puntata presenteremo anche i circuiti per la ricarica delle batterie.

Il kit è disponibile da Futura Elettronica

 

 

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