Design and testing of a portable I-V Curve tracer for the development of vehicle-integrated photovoltaic applications

The growing demand for sustainable and environmentally friendly transportation has led to increased interest in electric vehicles (EVs) and, therefore, the need to power them efficiently with renewable energy sources. Photovoltaic (PV) systems are a promising solution to supplement the EV's onboard energy storage system. This thesis, with the collaboration between Politecnico di Milano and Ricerca sul Sistema Energetico SpA, explores the development of a portable I-V tracer technology, to be installed on board of an EV, with the aim of characterizing and optimizing the performance of PV panels integrated on the rooftop. The primary objective of this research is to design and implement an I-V tracer that provides real-time monitoring and characterization of the PV panel's electrical output, allowing for a precise measurement of its current-voltage characteristics under various operating conditions. Thanks to this technology, it becomes possible to gain deeper insights into the performance of PV panels and to identify potential areas for improvement. The methodology applied in this study consists of three main phases. First, it’s conducted an in-depth analysis of different I-V tracer technologies and of their capability to be integrated into electric vehicles’ PV systems. Then, it’s described the design and development of the software, running on a Raspberry Pi 4, and of the hardware. The portable and compact device is engineered to interface with the PV panels quickly capturing and processing the data, since a vehicle moving in urban areas is expected to experience dynamic irradiance and partial shadowing conditions that affect the PV generator performance. Finally, an experimental evaluation is performed, utilizing the I-V curve tracer and a prototype circuit to assess a PV module’s behaviour in different operating scenarios. The outcomes of this research are expected to contribute significantly to the field of sustainable transportation and renewable energy integration. By using this technology, this thesis aims to provide valuable insights into the power production potential and reliability of PV modules installed on EVs. In future developments of this project, the testing circuit will be replaced by a Ćuk DC-DC converter, enabling the implementation of control strategies of the module and Maximum Power Point Tracking algorithms.

La necessità di sistemi di trasporto più sostenibili ha portato a un crescente interesse per i veicoli elettrici (VE) e alla necessità alimentarli efficientemente con fonti di energia rinnovabile. L’integrazione di pannelli fotovoltaici è una soluzione promettente per generare energia elettrica a bordo e soddisfare, almeno in modo parziale, la richiesta energetica del veicolo. Questa tesi, con la collaborazione tra il Politecnico di Milano e Ricerca sul Sistema Energetico SpA, esplora lo sviluppo di uno strumento di misura delle curve I-V (I-V tracer) portatile e da installarsi a bordo veicolo per caratterizzare e ottimizzare le prestazioni di pannelli fotovoltaici integrati nei veicoli elettrici. L'obiettivo principale di questa ricerca è progettare e implementare un dispositivo di misura che fornisca il monitoraggio e la caratterizzazione in tempo reale della produzione elettrica del pannello fotovoltaico, consentendo una misurazione precisa delle sue curve caratteristiche corrente-tensione in varie condizioni operative. Grazie a questa tecnologia, diventa possibile ottenere informazioni più approfondite sulle prestazioni dei pannelli fotovoltaici installati a bordo veicolo ed identificare potenziali aree di miglioramento ed ottimizzazione. La metodologia utilizzata in questo studio si compone di tre fasi principali. Innanzitutto, viene condotta un’analisi approfondita sulle diverse tecnologie di I-V tracer e della possibilità di adattarli per misure su sistemi fotovoltaici applicati a veicoli elettrici. Successivamente, vengono descritti la progettazione e lo sviluppo di software e hardware basati su un Raspberry Pi 4. Il dispositivo, portatile e compatto, è progettato per interfacciarsi con i pannelli fotovoltaici acquisendo ed elaborando rapidamente i dati, poiché si prevede che un veicolo in movimento in aree urbane subisca condizioni dinamiche di irraggimento e di eventuale ombreggiamento, anche parziale, che influiscono sulle prestazioni del generatore fotovoltaico. Infine, viene eseguita un’analisi sperimentale dell’hardware sviluppato, utilizzando l’I-V tracer ed un circuito ad-hoc per valutare le performance di un modulo fotovoltaico in diversi scenari operativi. I risultati di questa ricerca potranno contribuire in modo significativo al campo dei trasporti sostenibili e dell'integrazione di energie rinnovabili. L’utilizzo dello strumento presentato in questa tesi permetterà di acquisire informazioni dettagliate e consistenti sulle potenzialità di generazione e sull'affidabilità di pannelli fotovoltaici installati su veicoli elettrici. Negli sviluppi futuri di questo progetto, il circuito di test sarà costituito da un convertitore Ćuk DC-DC che consentirà l'implementazione sia di algoritmi evoluti per il tracciamento di curve IV, sia di algoritmi di gestione del generatore fotovoltaico per il Tracciamento continuo del Punto di Massima Potenza (MPPT).