Progettazione dei livelli gestionali di un'architettura per il controllo della strumentazione di bordo di autoveicoli ibridi con l'impego di un microcontrollore

ciò consente di ridurre le emissioni di sostanze inquinanti quali benzene, 
idrossido di azoto, anidride carbonica e zolfo.  
Numerosi progetti su macchine a minor impatto ambientale sono da 
tempo avviati nei paesi industrializzati, in particolare negli Stati Uniti, in 
Giappone e nell’Unione Europea, dove la condizione tecnologica e 
legislativa ha consentito lo sviluppo di idee innovative nel campo. Lo 
sguardo è rivolto alle diverse tipologie di macchine ibride, ai vantaggi e 
svantaggi del loro utilizzo.  
In Europa, i principali campi di intervento riguardano le motorizzazioni a 
combustione interna e, in misura sperimentale, le autovetture ibride, 
dove sono stati raggiunti significativi risultati.  
La principale problematica associata al loro sviluppo sorge nel momento 
in cui si deve compiere la prima scelta progettuale, quella di usare una 
macchina a trazione serie o parallelo. Entrambe presentano vantaggi che 
possono diventare più o meno rilevanti a seconda delle condizioni di 
utilizzo dall’automezzo. La trazione parallela consente di ottimizzare la 
gestione della potenza facendo in modo che a livello prestazionale la 
macchina ibrida possa equivalere ad una macchina comune alimentata a 
benzina o gasolio. La trazione serie è orientata al basso consumo 
energetico pagando il prezzo in termini di prestazioni, cioè si avrebbero 
macchine meno pronte in fase di accelerazione, la quale in alcuni casi 
può diventare insoddisfacente (es. fase di sorpasso o lunga salita).  
Dal punto di vista del controllo si possono incrementare notevolmente le 
prestazioni di entrambi i sistemi agendo sulle modalità di utilizzo dei due 
motori. Come semplicità di controllo è preferibile un sistema serie ma è 
possibile ottenere prestazioni migliori con sistemi parallelo. Infatti su di 
questi un buon software di controllo consente l’inserimento di diverse 
modalità che permettono, a fianco di un risparmio energetico, la 
possibilità di fornire potenza al veicolo nel momento in cui è necessaria. 
Nel corso della trattazione verranno esaminati vari aspetti riguardanti gli 
autoveicoli ibridi, le tecnologie di progetto e le motivazioni che hanno 
portato all’utilizzo di un microcontrollore. Infatti il bisogno di gestire 
vari elementi contemporaneamente ed analizzare una grande quantità di 
dati, porta alla conseguente necessità di potenza sia di calcolo che di 
interfacciamento con la strumentazione di bordo e i sensori di misura.  
La parte più importante del presente lavoro sarà lo sviluppo di un 
software dedicato per l’utilizzo dell’autoveicolo, progettato in un 
ambiente di sviluppo ad alto livello (µvision2), che consente di simulare 
il funzionamento del controllore senza agire direttamente sull’hardware. 
Il progetto di tale software includerà la distinzione di varie modalità di 
utilizzo del veicolo in maniera tale da ottimizzare consumi e prestazioni. 
Il programma sarà organizzato gerarchicamente con una parte di gestione 
che provvederà a raccogliere i dati forniti dai sensori a bordo, analizzarli 
e richiamare subroutine che si occuperanno di controllare 
automaticamente i flussi di potenza tra motore elettrico, motore 
endotermico e sistema di carica per le batterie. Ciò permette anche un 
aggiornamento rapido nel momento in cui cambieranno alcune 
componenti costitutive del veicolo o le esigenze di guida, in quanto i 
programmi di gestione sono completamente separati e possono essere 
aggiornati indipendentemente.  
Il controllore utilizzato per il progetto è un integrato della famiglia 
Infineon denominato  XC167. Esso dispone di una CPU a 16 bit basata 
sul core C166V2 con 16 Mbytes di RAM in parte integrata sullo stesso, 
in parte montata sulla scheda di sviluppo Phytec. Inoltre possiede un 
gran numero di linee di ingresso/uscita per la gestione dei sensori e degli 
attuatori, dispone di convertitori sia ADC (analogico/digitale) che DAC 
(digitale/analogico). Contiene unità di temporizzazione e dispositivi di 
controllo per eventi periferici (PEC, Periferical Event Controlled) al fine 
di riconoscere interruzioni da periferiche esterne e asservirle. 
Il lavoro si concluderà con una simulazione ed un’analisi dei dati raccolti 
che potrebbero essere utilizzati per sviluppi futuri di un controllore per 
l’autoveicolo ibrido e conseguenti possibilità di scelte progettuali 
alternative.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Capitolo 1 
La macchina ibrida 
 
 
1.1 Introduzione 
 
Dalla loro invenzione ad oggi i motori hanno subito notevoli 
cambiamenti ed evoluzioni che hanno riguardato la sperimentazione di 
propulsori con tecnologie diverse, alimentati con carburanti diversi, 
ognuno con i propri vantaggi e svantaggi in svariati impieghi.  
Sfruttare l’energia elettrica per muovere un veicolo è un’idea nata 
all’inizio del secolo scorso, ma il problema più grande cui si va incontro 
è l’immagazzinamento del carburante. Infatti non è facile costruire 
batterie in grado di alimentare un motore con potenza e autonomia 
sufficiente da soddisfare le esigenze di movimento attuali a causa delle 
dimensioni e del peso delle stesse. Inoltre le batterie hanno tempi di 
ricarica lunghi e un costo elevato. Per questo motivo i veicoli elettrici 
non hanno avuto la stessa evoluzione dei motori a combustione interna 
che disponevano di un carburante, il petrolio, in grado di fornire una 
grande quantità di energia a basso costo. 
Attualmente però è stata rivalutata l’idea di costruire veicoli alimentati 
tramite batterie, a causa delle emissioni inquinanti dovute alla 
combustione dei derivati del  petrolio, ma i problemi ai quali si va 
incontro sono gli stessi. Si è pensato allora di realizzare veicoli con 
supporto energetico elettrico equipaggiati anche con un motore 
endotermico denominati HEV (Hybrid Electric vehicle), con un notevole 
aumento del rendimento.  
 
 
1.2 Cenni storici 
Il primo a muoversi su un veicolo motorizzato, cioè non trainato da forza 
umana o animale, è stato Joseph Nicholas Cugnot che nel 1769 ha 
inventato il primo mezzo di locomozione che disponeva di una motrice a 
vapore. Dopo Cugnot molti altri hanno cercato di creare veicoli 
motorizzati trainati da motori diversi con carburanti di vario tipo. Un 
fabbro del Vermont - Thomas Davenport - costruì il primo motore 
elettrico rotativo nel 1833 e lo utilizzò per azionare un trenino giocattolo 
l'anno successivo. Sul finire degli anni '30 dello stesso secolo l'inventore 
scozzese Robert Davidson realizzò un carro con un motore elettrico a 
batterie. In seguito molti altri realizzarono veicoli elettrici che 
popolarono le città americane alla fine del IX secolo. Già nel 1897 la 
città di New York disponeva di un parco taxi composto interamente da 
veicoli elettrici e in poco tempo la Electric Vehicle Company disponeva 
di oltre 100 macchine per scarrozzare in giro gli abitanti della Grande 
Mela. Dopo questo traguardo le auto elettriche invasero anche città come 
Chicago, Boston, Philadelfia e Washington. Dopo qualche tempo la 
società ebbe dei problemi e fallì sette anni dopo. 
Nel frattempo anche le auto a benzina 
iniziarono ad essere messe in 
commercio e si aprì la grande 
battaglia dell’industria dell’automobi-
lismo. In Italia nasce la FIAT che 
realizza otto copie della F3 ½ HP che 
era una vis a vis con trasmissione a catena con differenziale, un motore 
da 678 CC che su piano raggiungeva di 45 km/h.  
All’inizio del ‘900 l’acquirente di un autoveicolo si trovava davanti alla 
scelta di acquisto di un veicolo elettrico, a benzina o a vapore e ancora 
non si sapeva quale di questi avrebbe prevalso sugli altri. È sorprendente 
sapere che nei primi anni del novecento la maggior parte dei veicoli in 
circolazione erano elettrici, inoltre nel salone delle auto di New York 
c’erano più veicoli elettrici di quanti ce ne fossero a benzina o vapore. 
Qualche anno dopo iniziò il declino delle auto elettriche, le quali 
avevano come avversario le prestanti auto a benzina che negli anni ’20 
avevano preso il sopravvento e si sono evolute sempre più. 
Attualmente le esigenze stanno cambiando e la domanda di mercato è 
rivolta verso macchine a basso consumo più che ad elevate prestazioni, 
causa principale: l’inquinamento atmosferico delle città e l’alto costo del 
carburante. Sono disponibili in commercio automobili ibride come la 
Toyota Prius la Honda Insight, stanno lavorando su progetti di questo 
tipo anche case automobilistiche come la BMW e la Mercedes. Uno dei 
prototipi è il Mercedes Bluetec Hybrid che ha consumi decisamente più 
alti su una macchina orientata comunque alle alte prestazioni che sfrutta 
un motore ibrido diesel-elettrico. Tutti questi veicoli elettrici dispongono 
di controlli per la trazione e gestione delle modalità di funzionamento.  
 
 
 
1.3 Motori a combustione interna 
Il motore a combustione interna, è un particolare motore termico nel 
quale, attraverso la combustione di carburante liquido con un 
comburente, l’aria, si produce lavoro meccanico. Il fluido che produce 
questo lavoro (fluido motore) è lo stesso in cui avviene la combustione 
per questo motivo il motore viene definito a combustione interna.  
Tutti i motori a combustione interna si basano sul processo chimico 
esotermico della combustione. I carburanti più utilizzati oggi sono 
composti da idrocarburi e sono derivati dal petrolio. I più noti sono 
benzina, gasolio, metano e gas di petrolio liquefatto (propano).  
I motori a combustione interna vengono classificati in base al sistema di 
accensione utilizzato per provocare la combustione in motori ad 
accensione comandata e ad accensione per compressione.  
Nei primi di solito l'accensione viene comandata attraverso una scintilla 
ad alta tensione che scocca nella miscela aria-combustibile all'interno del 
cilindro. La scintilla viene prodotta attraverso una bobina alimentata da 
una batteria che può essere ricaricata durante il funzionamento attraverso 
un alternatore trascinato dal motore.  
Nei motori ad accensione per compressione (detti anche motori Diesel) il 
combustibile viene iniettato nell'aria compressa all’interno dei cilindri e 
la combustione si innesca a causa delle condizioni di pressione e calore 
nella camera. Nella combustione si libera l’energia chimica contenuta 
nella miscela. Ciò si manifesta attraverso un aumento di  temperatura e 
pressione che vengono trasformate in lavoro meccanico dal motore.  
Nei motori alternativi è la pressione dei gas combusti a spingere i pistoni 
all'interno dei cilindri del motore. Recuperata l'energia, i gas combusti 
vengono eliminati (spesso attraverso una valvola di scarico). Al termine 
di questa fase il pistone torna nella posizione di punto morto superiore. 
Tutto il calore non trasformato in lavoro deve essere eliminato dal 
motore attraverso un sistema di raffreddamento ad aria o a liquido. 
La parte interessante riguarda i consumi in funzione  della potenza e 
della coppia del motore. La potenza non è altro che il lavoro nell’unità di 
tempo quindi il prodotto coppia per velocità di rotazione, se la velocità di 
rotazione è costante: 
 
 
 
Il rendimento rappresenta l'energia effettiva disponibile sull'albero 
motore utilizzabile per la locomozione, rispetto a quella contenuta nel 
carburante speso. Tale rendimento è direttamente proporzionale con la 
coppia, quindi aumenta massimizzando la coppia. In questo modo si 
ricava il punto fisso di funzionamento del motore endotermico a 
massimo rendimento, modo che deve essere utilizzato quando il motore 
funziona solo per la ricarica delle batterie (quindi disaccoppiato dalle 
ruote) con una velocità di rotazione costante. 
  
 
 
 
 
 
 
 
Figura 1 : Caratteristica coppia, potenza in funzione della velocità 
 
 
Nella caratteristica della coppia e della potenza in funzione della velocità 
angolare si vede come a coppia massima non corrisponde la massima 
potenza, quindi per far accelerare il motore bisogna aumentare la potenza 
facendo scendere la coppia.  
Dal punto di vista della gestione il motore può essere spento, funzionare 
al minimo, a punto fisso oppure in accelerazione il controllo ottimo dei 
P
u
= C
u
 Ω
C [Nm] 
P [kW] 
RPM
vari modi di funzionamento può far diminuire i consumi. Saranno 
necessari sensori per misurare la velocità di rotazione dell'asse e la 
coppia.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 Figura 2 : Curve di consumo di un motore a combustione interna a velocità costante e loro inviluppo 
 
Il consumo del veicolo dipende strettamente dalla potenza erogata e dalla 
velocità di rotazione. La figura in alto mostra le curve di consumo alle 
varie velocità con il loro inviluppo. Ovviamente al variare di Ω dal 
minimo al massimo si farà in modo che la curva sia approssimabile a 
quella dell’inviluppo, in questo modo i consumi saranno i minimizzati. 
 
 
1.4 Motori elettrici 
Il motore elettrico è un dispositivo che trasforma energia elettrica in 
energia meccanica e viceversa (nel funzionamento da generatore). È 
composto da uno statore con espansioni polari magnetiche, un rotore 
con un indotto avvolto da fili in rame detto armatura. Sullo statore c’è 
un avvolgimento detto di eccitazione, mentre la parte tra statore e rotore è 
detta traferro ed ha dimensione variabile per permettere il passaggio del 
flusso in determinate direzioni. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
   Figura 3 : Schema generale di un motore elettrico 
 
Il rotore è composto da un indotto circolare avvolto con dei fili in rame, 
nella parte esterna vi è traferro e statore. Nella parte interna ci sono dei 
collegamenti a lamelle in rame isolate una dall’altra, la loro funzione è 
toccare, mentre il rotore gira, delle spazzole sulle quali si crea una 
differenza di potenziale (nel funzionamento da generatore), o sulle quali 
è applicata la tensione di armatura (nel funzionamento da motore).  
Nel funzionamento da generatore il circuito di eccitazione è alimentato e 
sul rotore agisce una coppia motrice. Nel momento in cui il rotore inizia a 
muoversi si ha una variazione di flusso magnetico che induce corrente 
all’interno dell’avvolgimento di armatura, di conseguenza si ha una 
differenza di potenziale ai capi delle spazzole. Nel funzionamento da 
motore, con statore alimentato, si applica alle spazzole una tensione detta 
tensione di armatura, di conseguenza nell’avvolgimento ci sarà una 
corrente di armatura. Ogni avvolgimento genera una forza indotta, la 
coppia motrice sarà data dalla somma di tutte le forze generate da ogni 
singolo avvolgimento.  
Per quanto riguarda il controllo del motore elettrico è possibile effettuare 
un controllo in retroazione di velocità oppure di coppia. Il primo consente 
di regolare la tensione di armatura in modo da far mantenere al motore la 
velocità voluta. Il secondo consente di regolare la corrente di armatura in 
modo da mantenere costante la coppia. È possibile utilizzarli entrambi a 
seconda delle applicazioni di lavoro.  
Nel nostro caso sarà necessario un controllo di velocità in quanto sarà il 
motore elettrico quello comandato da chi giuda il veicolo. Quando si 
preme l’acceleratore si agisce direttamente sul motore elettrico e 
indirettamente sul motore endotermico. Infatti l’acceleratore controllerà 
direttamente la tensione di armatura, mentre il motore endotermico sarà 
interamente gestito dalla centralina, per fare ciò occorreranno dei sensori 
per la misura della corrente assorbita e della velocità del motore elettrico. 
 
 
 
1.5 Struttura della macchina ibrida 
Un sistema ibrido combina un’unità di potenza a combustibile fossile e 
un sistema di immagazzinamento dell’energia elettrica. L’idea dietro 
questa combinazione è che il motore endotermico opera vicino al punto 
fisso, condizione che permette di tenere le emissioni nocive al minimo, 
durante la ricarica delle batterie. 
L’energia elettrica è accumulata durante il periodo in cui il motore primo 
è acceso e la potenza erogata è maggiore di quella richiesta (es. nel 
traffico o in marcia lenta). Tale energia sarà usata come potenza 
supplementare quando il veicolo ne richiede di più (es. accelerazione, 
lunga salita).  
Studi dimostrano che un veicolo elettrico ibrido offre potenzialmente un 
incremento di rendimento superiore al 20 %, rispetto al 5 - 6 % di un 
veicolo puramente elettrico.  
I veicoli convenzionali sono puramente dissipativi mentre una macchina 
elettrica può recuperare l’energia durante la frenata ricaricando le 
batterie. In questa fase il motore elettrico funziona da generatore (e freno 
motore) e il flusso di potenza va tutto verso le batterie, compreso quello 
del motore endotermico se è acceso.  
Il progetto di un motore, quello a combustione interna, che funzioni in 
condizioni di utilizzo quasi ideali si semplifica. Infatti il motore elettrico 
assorbe tutti gli sbalzi di potenza, consentendo l’utilizzo del motore a 
combustione solamente come potenza ausiliaria e carica batterie. Quindi 
il motore endotermico non lavora in fase di partenza, dove la coppia 
resistente è molto alta a causa degli attriti statici, ma lavora solamente in 
condizioni di regime riducendo i picchi di consumo.   
Il sistema potrebbe risultare molto pesante e voluminoso a causa delle 
dimensioni delle batterie e il controllo molto più complesso rispetto ad un 
veicolo tradizionale. L’efficienza complessiva del sistema di guida di un 
ibrido serie rimane comunque bassa rispetto alla prontezza di un sistema 
a combustione e velocità costante a causa delle perdite seriali intrinseche 
nella sua progettazione. Infatti nell’inserimento di più componenti si 
sommano le perdite in ogni stadio di trasformazione dell’energia. 
Comunque l’innovazione della componentistica ha permesso la riduzione 
delle perdite, la semplicità del progetto di un sistema di controllo e la 
riduzione dei costi dell’elettronica comprese le batterie. Tutte queste 
motivazioni oggi rendono possibile e vantaggioso il progetto di questo 
tipo di autoveicoli.  
Altri vantaggi riguardano la rumorosità ridotta rispetto ai veicoli 
convenzionali e la sicurezza nell’implementazione del sistema di 
immagazzinamento dell’energia. 
In linea generale si è già parlato di quasi tutti i componenti di una 
macchina ibrida cioè motore endotermico, motore elettrico e batterie.  
L’unico non discusso è l’alternatore, il cui funzionamento è lo stesso del 
motore elettrico. La differenza consiste nel funzionamento da motore o 
generatore solo che il primo deve funzionare come un generatore, l’altro 
funziona come un motore. Le dimensioni sono notevolmente ridotte.  
Si è ancora parlato poco di come questi dispositivi sono interconnessi tra 
di loro per cooperare al raggiungimento dell’obbiettivo finale. Esistono 
diverse tipologie di gestione di questo tipo di sistemi che implicano 
metodologie costruttive e complessità progettuali completamente 
differenti. Una prima suddivisione si ha tra sistemi serie e sistemi 
parallelo. Per i primi l’unico utilizzo del motore a combustione è la 
carica delle batterie, quindi motore e trasmissione sono completamente 
disaccoppiati; mentre, per gli altri, il motore viene utilizzato come 
potenza ausiliaria, come carica delle batterie o entrambi 
contemporaneamente; in questo caso il motore è collegato alla 
trasmissione.  
 
 
1.5.1 Trazione serie 
Nell’architettura serie l’unico elemento collegato direttamente alla 
trasmissione, quindi alle ruote, è il motore elettrico. L’unico scopo del 
motore endotermico e caricare le batterie per fornire più autonomia (non 
più potenza) al veicolo, lo schema si può riassumere nel seguente modo: 
 
  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 4 : Schema di funzionamento di una macchina ibrida serie 
 
Dove V rappresenta il motore endotermico, G l’alternatore, B le batterie 
ed E il motore elettrico.  
Questo schema ha un vantaggio indiscutibile, essendo il motore 
completamente disaccoppiato dalle ruote il rendimento della 
combustione è sicuramente massimizzato. Far girare sull’albero motore 
un alternatore oppone sicuramente una coppia resistiva più bassa rispetto 
alla trasmissione questo massimizza l’utilizzo energetico del petrolio.  
La gestione è molto semplice infatti il motore può essere acceso o spento 
a seconda solamente del livello di carica delle batterie.  
Lo svantaggio di questo tipo di sistemi si riscontra nel momento in cui si 
ha bisogno di potenza (es. fase di sorpasso o lunga salita). Durante 
queste fasi si ha un alto assorbimento di potenza del motore elettrico che 
potrebbe saturare le batterie, costringendo la macchina a rallentare o 
addirittura spegnersi.