Scelta Powertrain per veicolo elettrico - Formula Sae

Individuazione, dimensionamento e confronto di gruppi propulsori per un veicolo elettrico da competizione FSAE

Università degli Studi di Perugia

Dipartimento di Ingegneria

Attività Tirocinio Interno

A.A. 2021/2022

Studente Tutor Co-Tutors

Federico Paolucci Prof. Francesco Fantozzi Prof. Antonio Faba

Dr. Francesco Crocetti

Indice

1 La Formula SAE 6

1.1 La Competizione 6

1.2 Gli eventi 7

1.2.1 Analisi Statiche 7

1.2.2 Prove Dinamiche 8

1.2.3 Punteggi e classifica 9

1.3 La categoria Elettrica 1E 9

2 I Sistemi FSAE 10

2.1 Quadro generale delle tipologie di trazione e motori utilizzati in FSAE e Formula E 10

2.1.1 Classe 1E 2019 10

2.1.2 Classe 1E 2021 11

2.1.3 Formula E 11

3 Architettura di sistema 12

3.1 Architettura elettronica 4WD 12

3.1.1 VMU (Vehicle Management Unit) 13

3.2 Architettura elettronica 2WD 13

4 Drivetrain elettrico 14

4.1 Motore elettrico 16

4.1.1 PMSM - Motore Sincrono a Magneti Permanenti 17

4.1.2 Motore IM – Asincrono 18

4.2 Inverter 19

4.3 Tecnologie Inverter per la competizione SAE-E 20

4.3.1 SiC MOSFET e Si IGBT 20

4.3.2 Descrizione del convertitore (SiC Inverter) 21

4.4 Strategie di controllo motore 24

4.4.1 La tecnica PWM in ambito automotive 24

4.4.2 Controllo Motore Trifase 26

4.4.3 Field Oriented Control (FOC) 28

5 Confronto tra tipologie di trazione nei veicoli FSAE 28

5.1 2WD o 4WD 28

5.1.1 Confronto in termini di coppia, accelerazione e velocità 29

5.1.2 Confronto in termini di energia recuperabile in frenata 31

6 Confronto tra pacchetti/powertrain utilizzati in Formula Student 33

6.1 Compact Dynamics 33

6.1.1 DYNAX 500e + DYNACONTROL 500e 34

6.2 AMK 36

6.2.1 DD5-14-10-POW + KW26-S5-FSE-4Q 37

6.3 DHX Electric Machines 40

6.3.1 Hawk 20 40

6.4 Scelta effettuata tra le soluzioni analizzate 42

7 Descrizione inverter AMK e confronto con inverter SiC 43

7.1 Inverter AMK 43

7.1.1 Descrizione del convertitore 44

7.1.2 Interfaccia inverter: AIPEX PRO e comunicazione CAN 46

7.1.3 Criticità dell’inverter AMK 47

7.2 Confronto AMK inverter - SiC inverter 48

7.2.1 Ingombro e Peso 48

7.2.2 Perdite 50

7.2.3 Strategie di controllo: Controllo motore inverter AMK 53

7.2.4 Strategie di controllo: Direct Flux Vector Control 54

7.3 AMK vs SiC: conclusioni 55

8 Analisi definitiva: documento “AMK Racing Kit” 56

8.1 For your Safety: destinazione d’uso, basic notes e safety rules 57

8.2 Panoramica del prodotto 57

8.2.1 Componenti principali del prodotto e stage AMK 58

8.2.2 Overview del Sistema 58

8.2.3 View dell’Inverter 59

8.2.4 View del motore 61

8.3 Dati Tecnici 61

8.3.1 Dati Inverter 61

8.3.2 Dati Motore 62

8.4 Dimensional Drawings 65

8.4.1 Inverter 65

8.4.2 Motore 66

8.5 Project Planning 66

8.5.1 Opzioni di montaggio 67

8.6 Raffreddamento motore 69

8.7 Servomotore sincrono con e senza indebolimento di campo 69

8.7.1 Servomotore sincrono senza indebolimento di campo 69

8.7.2 Servomotore sincrono con indebolimento di campo 70

8.7.3 Caratteristiche della potenza e della coppia del motore 71

8.8 Electrical connections 72

8.8.1 Collegamenti standard CAN 72

8.8.2 Ethernet real-time (EtherCAT) 73

8.9 Architettura CAN Bus 73

8.9.1 Due linee CAN Bus 73

8.9.2 Una linea CAN Bus 74

8.10 Avvio con AIPEX PRO 75

8.10.1 Ottimizzazione del controller corrente 75

8.10.2 Regolazione del regolatore di velocità 76

8.11 Tutorial software AIPEX PRO 79

8.11.1 Configurazione Oscilloscopio 79

8.11.2 Configurare “Temporary Parameters” 81

8.11.3 Configurare la funzione di avvio 82

8.11.4 Ottimizzare il controller di velocità 83

8.11.5 Diagnosi dell’errore con AIPEX PRO 84

Riferimenti 86

Abstract

L’obiettivo del presente documento è fornire risultati, o quantomeno un riferimento, all’Unipg Racing Team, Formula Sae di Perugia, in merito alle scelte riguardanti il tipo di trazione, il motore elettrico e l’inverter da adottare. Si andrà quindi a valutare la tipologia migliore di powertrain elettrico tra le soluzioni disponibili in commercio, in relazione alla trazione scelta in base alla qualità delle prestazioni. A tal proposito si andranno anche ad analizzare prototipi di altre università, in modo da avere un’idea dei modelli maggiormente utilizzati. Si faranno inoltre riferimenti al controllo del motore che, pur essendo un argomento assai vasto, è importante da valutare sulla base di alcuni aspetti, tra cui la semplicità di tuning.

1 La Formula SAE

La Formula SAE (o Formula Student) è una competizione internazionale riservata alle università, promossa dalla SAE International (precedentemente Society of Automotive Engineers). Studenti da ogni parte del mondo progettano e costruiscono una vettura monoposto da corsa, che viene poi valutata dal punto di vista ingegneristico da esperti del settore in eventi dedicati. Lo scopo della competizione è dare agli studenti la possibilità di mettere in pratica le nozioni apprese nel proprio percorso di studi, mettendoli a confronto con una realtà simile a quella con la quale potrebbero avere a che fare nel loro futuro professionale. L’esperienza è aperta a studenti di ogni ambito di studi: oltre che per le caratteristiche tecniche, la vettura viene infatti valutata dal punto di vista del marketing per un’ipotetica produzione in serie, con relative possibilità di vendita. La progettazione deve seguire in maniera precisa un regolamento che fissa le principali limitazioni e le misure di sicurezza fondamentali. Prima di poter correre sul tracciato, la vettura è sottoposta ad un’attenta analisi da parte dei giudici per verificarne la completa aderenza alle regole. In questa trattazione faremo riferimento al regolamento Formula SAE 2016, tuttavia ogni anno esso viene aggiornato con variazioni più o meno significative. Nata negli Stati Uniti nel 1981 come competizione per veicoli con motore a combustione interna, la Formula SAE diventa rapidamente popolare in tutto il mondo. Nel 2010 viene introdotta la categoria elettrica, riservata a monoposto a propulsione elettrica alimentate a batteria. Nel 2017 in Germania viene introdotta la categoria driverless, per vetture a guida autonoma. Al 2019, oltre 600 università nel mondo partecipano o hanno partecipato alla categoria per vetture a combustione (classe 1C), 170 alla categoria elettrica (classe 1E) e circa 40 team si sono dedicati ad una vettura driverless (classe 1D). In alcuni paesi esiste una categoria dedicata al solo progetto su carta (Classe 3), nella quale i partecipanti affrontano solamente le prove statiche e non sono tenuti a presentare una vettura funzionante (provini e prototipi di componenti in fase di sviluppo sono comunque ben visti).

1.1 La competizione

L’idea alla base della Formula SAE è che un team di studenti venga contattato da un’azienda fittizia per la progettazione e la produzione di una monoposto a ruote scoperte, destinata a piloti non professionisti, per un volume di produzione di 1000 vetture l’anno. Nella realtà, ovviamente, un solo prototipo viene costruito e testato in pista.

Il team è quindi chiamato a:

• Concepire
• Progettare
• Produrre
• Testare
• Promuovere
• Pilotare il veicolo costruito.
• I membri del team devono essere rigorosamente studenti iscritti all’università, piloti inclusi.

1.2 Gli eventi

Una stagione Formula SAE dura un anno. La struttura tipica comprende: formazione del nuovo team a settembre/ottobre, fase di progettazione fino a dicembre e fase di produzione e assemblaggio fino ad aprile, con presentazione al pubblico in maggio. Nei mesi successivi alla produzione inizia la fase di test e collaudo, che termina con l’inizio degli eventi nel periodo estivo (luglio/agosto). Gli eventi Formula SAE sono organizzati in vari paesi del mondo una volta l’anno ed hanno durata variabile fra i 4 e i 7 giorni. I primi giorni sono dedicati alle ispezioni tecniche, dove giudici preposti controllano che la vettura rispetti il regolamento sia per quanto riguarda la sicurezza, sia per limiti dimensionali. È consentito l’accesso alle prove dinamiche solo ai veicoli che concludono con successo questa fase. Nei giorni centrali vengono svolte le prove statiche e solo negli ultimi quelle dinamiche in pista.

1.2.1 Analisi statiche

Business Plan Presentation

• Gli studenti devono preparare un business plan e presentarlo di fronte a degli investitori (fittizi) cercando di convincerli della convenienza del potenziale investimento nella produzione delle vetture. I giudici valutano non solo la solidità dei contenuti ma anche la qualità dell’esposizione e la prontezza con la quale i presentatori sono in grado di rispondere ad eventuali domande.

Cost Analysis

• Vengono valutate, dal punto di vista economico, la scelta delle componenti, delle tecnologie produttive e di assemblaggio. Tali scelte devono essere esposte ed accuratamente documentate facendo riferimento a degli standard comuni (valori tabulati per costo di componenti, materiali e operazioni di montaggio). Viene inoltre affidato con anticipo un problema specifico (riduzione costo di una particolare componente o valutazione di costi particolari) che il team deve risolvere nella maniera più brillante possibile e presentarne la soluzione di fronte ai giudici.

Engineering Design

• È la prova statica più importante, vista la natura principalmente ingegneristica della competizione. Esperti del settore automotive e industriale valutano la qualità della progettazione in relazione all’obiettivo che il team si è posto a inizio stagione. Non vince necessariamente il progetto con le maggiori prestazioni su carta, bensì quello che risulta essere più coerente con l’obiettivo prefissato. Oltre alle scelte tecniche vengono valutate le competenze dei membri del team sia nelle specifiche soluzioni sviluppate che in generale.

1.2.2 Prove dinamiche

Acceleration

• Prova di accelerazione sui 75m con partenza da fermo. Possono essere effettuati al massimo quattro tentativi (dei quali al più due con lo stesso pilota) e viene considerato il miglior tempo tra quelli ottenuti. In questa prova, vetture elettriche a trazione integrale hanno dato spesso migliori risultati per via della maggiore coppia scaricabile a terra.

Skid-Pad

• Prova volta a valutare la tenuta laterale della vettura. Si svolge su un tracciato a forma di "8", formato da due cerchi del diametro di 15.25 m delimitati da coni. La vettura deve percorrere due volte il primo anello in un senso e due volte il secondo nel senso opposto, senza interruzioni. Ai fini della classifica viene considerato il tempo medio tra secondo e quarto giro. Anche in questo caso possono essere effettuati al più quattro tentativi. Nella competizione tedesca (Formula Student Germany) questa prova è stata per anni realizzata sul bagnato, con degli idranti costantemente in funzione in modo da simulare condizioni di pioggia torrenziale.

Autocross

• È una prova che consiste nel percorrere nel minor tempo possibile un circuito specifico, delimitato mediante coni. Il percorso è molto tortuoso, pensato per velocità medie dai 40 ai 55 km/h e con rettilinei molto brevi, che in genere non consentono velocità massime oltre i 100 km/h. Vengono effettuati al massimo quattro tentativi per team e si considera il tempo migliore. Eventuali coni colpiti conferiscono 2 secondi di penalità ciascuno sul tempo registrato

Endurance and Efficiency

• È la prova più lunga, volta a misurare l’affidabilità della vettura. Consiste nel percorrere vari giri di pista (in genere sullo stesso tracciato dell’autocross) per un totale di 25-30 km. Esattamente a metà gara viene effettuata una pausa, nella quale la monoposto deve essere spenta completamente e riaccesa, e il pilota deve essere cambiato rispetto a quello che ha guidato nella prima parte. In caso di malfunzionamenti che portino la vettura a fermarsi o a condizioni di scarsa sicurezza per gli altri partecipanti (come perdite d’olio su strada) la prova è considerata fallita e non vi è possibilità di ritentare. Sono ammesse fino a 5 auto contemporaneamente nel tracciato e non è consentito sorpassare se non in apposite corsie predisposte. L’ordine di partenza è determinato dalla classifica della prova di autocross in modo da avere veicoli con prestazioni simili in pista contemporaneamente, minimizzando quindi il numero di sorpassi. Le vetture più veloci partono assieme, per ultime. Durante la gara vengono misurati i consumi dei veicoli e messi in relazione con la loro velocità di percorrenza. Viene quindi assegnato un punteggio volto a stabilire l’efficienza energetica della vettura.

1.2.3 Punteggi e classifica

Il massimo dei punti totalizzabili è 1000, distribuiti nelle varie prove:

Per ogni prova, il team con il risultato migliore riceve il massimo punteggio, mentre agli altri viene assegnato un numero di punti proporzionale alla propria prestazione rispetto a quella del primo classificato. Il punteggio finale di ogni team corrisponde alla somma dei risultati ottenuti sulle singole prove. Sulla base dei punteggi finali viene stilata la classifica dell’evento e quindi il vincitore.

1.3 La categoria elettrica 1E

La categoria elettrica, introdotta per la prima volta nel 2010, ha visto subito una crescita molto rapida nel numero di partecipanti e nella complessità delle soluzioni adottate. Partendo da vetture spinte da motori elettrici a spazzole sul solo asse posteriore, si è giunti in breve tempo a configurazioni a trazione integrale con motori controllati in maniera indipendente. Gli accumulatori di energia utilizzati sono quasi esclusivamente batterie al litio, in quanto forniscono la densità energetica più elevata per queste vetture estremamente leggere. Per questioni di sicurezza possono essere utilizzate solo celle commerciali e non tecnologie sperimentali, tuttavia la struttura dell’accumulatore (elettrica e meccanica) deve essere progettata e realizzata seguendo una sezione specifica del regolamento. Agli eventi, la ricarica delle batterie può essere eseguita solo in zone dedicate, rimuovendo l’accumulatore dalla vettura. Oltre alle ispezioni tecniche meccaniche, le vetture elettriche devono, prima di poter entrare in pista, essere sottoposte ad ulteriori controlli di sicurezza volti a verificare la corretta progettazione e realizzazione dell’accumulatore e di tutti i sistemi elettrici e di sicurezza. Dopo controlli visivi con eventuali richieste di chiarimenti e documentazione, viene verificato l’isolamento dei sistemi di alta tensione della vettura in condizioni normali e mentre è sottoposta ad abbondanti getti d’acqua.

2 I sistemi FSAE

2.1 Quadro generale delle tipologie di trazione e motori utilizzati in FSAE e Formula E

Di seguito sono riportate le scelte di alcuni tra i più importanti team di Formula Sae, italiani e stranieri, riguardanti la trazione e i motori da utilizzare. Le seguenti informazioni possono essere utili per effettuare decisioni adeguate riguardo al powertrain elettrico di cui si sta trattando.

2.1.1 Classe 1E 2019

Si prendono in considerazione i quattro principali team italiani coinvolti nella produzione di prototipi elettrici ed esaminiamo quelli che sono stati presentati in gara nel 2019. La Squadra Corse del Politecnico di Torino ha portato in gara la SC19 (1) (2). Essa presenta quattro motori sincroni dislocati su ciascuna ruota. La trazione integrale consente dunque di scaricare a terra gli 80 kW di potenza con facilità. I motori utilizzati sono di tipo AMK, i quali sono usati anche dal team Dynamics del Politecnico di Milano.

Motori e inverter AMK

• Potenza massima limitata 80 kW
• Coppia massima limitata 84 Nm
• Velocità massima del veicolo: 122 km/h
• Piastre fredde prodotte da additivi personalizzati
• Trasmissione epicicloidale personalizzata
• Celle agli ioni di litio con capacità totale di 7,8 kWh

Anche il team partenopeo, l'UniNa Corse E-team ha optato per 4 motori collocati nelle ruote (potenza complessiva 80 kW) per la sua T-One Evo. Discorso simile per il veicolo elettrico SG-e 03 della RaceUp Electric della Università di Padova. I dati tecnici sono mostrati nella Figura 2.1

Figura 2.1 Dati tecnici del prototipo elettrico della Race Up Electric

Il prototipo della UniPR Racing Team, rimasto vittima di un guasto tecnico, utilizzava una trazione posteriore.

2.1.2 Classe 1E 2021

Spostiamo la nostra attenzione anche su team di Formula Student stranieri. A ottobre 2021 si è svolta presso il circuito di Varano, una nuova edizione della Formula Sae Italy, dopo il mancato svolgimento della gara nel 2020, causa Covid-19. Nella Classe 1E (vetture elettriche) ha trionfato il Formula Student Team Tallinn della Tallinn University of Applied Sciences/Tallinn University of Technology, con ottime performance nelle prove dinamiche, in particolare Acceleration e Endurance. Si è aggiudicato il secondo posto TUfast e-technology di TU München (3), terza classificata all’Endurance 1E, seguita dal team KA-RaceIng E del Karlsruhe Institute of Technology, con un buon posizionamento nelle prove dinamiche e la vittoria nell’Autocross (4) (5). Di seguito sono elencate alcune caratteristiche dei motori elettrici del prototipo di TU München:

• Utilizzo di quattro motori sincroni trifase ad eccitazione permanente auto-sviluppati
• Simulazione meccanica ed elettromagnetica del motore
• Integrazione aerodinamica dei motori nel gruppo ruote
• Raffreddamento dello statore integrato nell'allo