Ottimizzazione delle prestazioni dei veicoli elettrici alimentati a energia solare mediante convertitore boost Relift con induttore accoppiato

Sole sulla strada

I veicoli elettrici promettono aria più pulita e strade più silenziose, ma richiedono comunque molta elettricità. Questo studio esplora come ricavare più potenza utile dalla luce solare per alimentare un’auto elettrica, mantenendo il motore stabile anche quando arrivano le nuvole. Ripensando sia l’elettronica che collega i pannelli solari al motore sia il software intelligente che la controlla, gli autori mostrano come i veicoli elettrici alimentati dal sole possano diventare più efficienti, più affidabili e più compatibili con la rete elettrica.

Perché le auto solari sono difficili

I pannelli solari sono una fonte attraente perché sono puliti, silenziosi e sempre più economici. Tuttavia la luce solare è volubile: nuvole passeggere, variazioni di temperatura e ombre da edifici spostano continuamente il pannello dal suo punto di funzionamento ottimale. Allo stesso tempo, un motore di veicolo elettrico richiede una tensione costante e elevata per garantire accelerazioni fluide e una guida sicura e prevedibile. I convertitori elettronici tradizionali che innalzano la bassa tensione dei pannelli alle tensioni più alte richieste da un VE spesso faticano in queste condizioni variabili, soffrendo di guadagno di tensione limitato, dispersioni di energia in calore e sistemi di controllo complessi. Il risultato può essere energia solare sprecata, stress aggiuntivo sui componenti e un’auto più dipendente dalla rete di quanto necessario.

Un nuovo “sollevatore” di potenza tra il sole e il motore

Per colmare questa lacuna, i ricercatori propongono un nuovo progetto di convertitore DC–DC chiamato Coupled Inductor ReLift Boost (CIRB). In termini semplici, questo convertitore funziona come un piccolo, finemente regolato sgabello che solleva la relativamente bassa tensione dei pannelli solari alla tensione molto più alta richiesta dall’elettronica di trazione del veicolo. Invece di affidarsi a trasformatori ingombranti o a più stadi in cascata, utilizza due avvolgimenti magneticamente collegati e una disposizione intelligente di condensatori e interruttori. Questa struttura distribuisce lo stress elettrico tra i componenti, riduce le ondulazioni di corrente e ottiene un forte aumento di tensione di tipo “quadratico” con pochi componenti. Simulazioni e prove hardware mostrano che il convertitore può innalzare circa 110 volt dai pannelli fino a circa 600 volt in uscita mantenendo basse le perdite energetiche e evitando picchi di tensione dannosi.

Tracciamento intelligente del punto di massima irradiazione

Sapere come cablare l’hardware è solo metà della storia; il sistema deve anche decidere esattamente quanto “spingere” il convertitore in ogni istante per estrarre la massima potenza dai pannelli. Questo compito, noto come inseguimento del punto di massima potenza, è reso difficile dalle condizioni meteorologiche che cambiano rapidamente. Gli autori progettano una rete neurale artificiale a due livelli che prima stima l’intensità luminosa e la temperatura del pannello a partire da tensione e corrente misurate, e poi predice la tensione di funzionamento ideale per i pannelli. Per mantenere questo cervello digitale performante, ne ottimizzano i parametri interni con un metodo ispirato ai pattern di volo della sterna fuligginosa, un uccello marino che bilancia l’esplorazione a lungo raggio con attacchi spiraliformi precisi sulla preda. Questa combinazione guida rapidamente i pannelli verso il loro punto ottimale, ottenendo una precisione di inseguimento di circa il 99,89% e rispondendo rapidamente ai cambiamenti di irradiazione.

Mantenere sincronizzati veicolo e rete

Oltre a migliorare la cattura dell’energia solare, lo studio integra il convertitore in un percorso di potenza completo che include un motore a magneti permanenti ad alte prestazioni, un inverter per generare AC trifase e una connessione alla rete. Un controller PI convenzionale mantiene il motore alla velocità desiderata—intorno a 1000 giri al minuto nei test—nonostante gli alti e bassi della produzione solare. Quando la luce è abbondante, l’energia in eccesso può essere immessa nella rete; quando nuvole o la notte riducono l’apporto solare, il sistema preleva automaticamente energia dalla rete per mantenere un collegamento DC stabile a 600 volt. Filtraggio e controllo accurati mantengono la corrente di rete pulita, con distorsione armonica totale prossima all’1%, rispettando gli standard comuni di qualità della potenza e riducendo il rumore elettrico.

Cosa significa questo per i veicoli elettrici del futuro

Messa insieme, la nuova topologia di convertitore e lo schema di controllo rendono i VE con supporto solare più praticabili. Il convertitore CIRB raggiunge un’efficienza di circa il 96,96%, offrendo al contempo un guadagno di tensione superiore rispetto a molte alternative recenti e utilizzando meno componenti. Il sistema di inseguimento intelligente cattura quasi tutta la potenza solare disponibile con pochissimo ritardo, e l’interfaccia con la rete garantisce che il veicolo possa continuare a funzionare senza interruzioni anche quando il sole non collabora. Sebbene il progetto debba ancora affrontare sfide come la progettazione magnetica accurata a livelli di potenza più elevati e la necessità di buoni dati di addestramento per le reti neurali, indica una direzione verso veicoli che dipendono maggiormente da array solari su tetti o pensiline e che interagiscono in modo più armonioso con la rete elettrica.

Citazione: Kanakaraj, M., Arul Prasanna, M. & Gerald Christopher Raj, I. Performance optimization of solar-energized electric vehicles using coupled inductor Relift boost converter. Sci Rep 16, 6959 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38342-9

Parole chiave: veicoli elettrici solari, elettronica di potenza, convertitori fotovoltaici, inseguimento del punto di massima potenza, integrazione con la rete intelligente