Studio di un powetrain elettrico per go kart da competizione

AMO D INVERTER3.3 I ................................................................................................................. 34NVERTER TRIFASE3.4 PWM (P W M )......................................................................................... 39ULSE IDTH ODULATION3.5 Z .......................................................................................................... 42ONE DI MODULAZIONE3.6 SVM (S V M )........................................................................................48PACE ECTOR ODULATION3.7 S ..................................................................................................53CELTA DELLA MODULAZIONEDIMENSIONAMENTO DEL POWERTRAIN DEL KART ELETTRICO.................................584.1 P ........................................................................................................................... 58REMESSE4.3 P ........................................................................................................................

RESTAZIONI

4.8 D

IMENSIONAMENTO ELETTRICO

CONCLUSIONI

Indice delle figure

Figura 1-Body Frame

Figura 2-Telaio

Figura 3-Dimensione dei cerchi

Figura 4-Aree per le batterie di trazione

Figura 5-Struttura rimovibile

Figura 6-esempio di BMS

7-Confronto fra gli interruttori

29-Figura 8-Struttura del ramo d'inverter

30-Figura 9-Stato degli Interruttori di ramo che causano un cortocircuito

31-Figura 10-Interruttore 1 in conduzione e richiusura della corrente

31-Figura 11-Interruttore 2 in conduzione e richiusura della corrente

32-Figura 12-Tempo morto

33-Figura 13-Struttura di un inverter trifase

34-Figura 14-Connessione a stella di un carico trifase

35-Figura 15-Rappresentazione dei vettori di stato

modulante in modulazione non lineare o sovramodulazione.............................................. 47Figura 24-Contenuto armonico del segnale in uscita per una modulazione non lineare o sovramodulazione............................................................................................................. 48Figura 25-Modulazione di ampiezza.................................................................................. 49Figura 26-Segnale ottenuto dalla modulazione di ampiezza............................................. 50Figura 27-Modulazione di frequenza................................................................................ 51Figura 28-Segnale ottenuto dalla modulazione di frequenza........................................... 52Figura 29-Modulazione di fase....................................................................................... 53Figura 30-Segnale ottenuto dalla modulazione di fase.................................................... 54Figura 31-Demodulazione di ampiezza............................................................................. 55Figura 32-Demodulazione di frequenza........................................................................... 56Figura 33-Demodulazione di fase.................................................................................... 57Figura 34-Modulazione a banda laterale unica.............................................................. 58Figura 35-Segnale ottenuto dalla modulazione a banda laterale unica............................. 59Figura 36-Demodulazione a banda laterale unica.......................................................... 60Figura 37-Modulazione a banda laterale ridotta............................................................ 61Figura 38-Segnale ottenuto dalla modulazione a banda laterale ridotta........................... 62Figura 39-Demodulazione a banda laterale ridotta....................................................... 63Figura 40-Modulazione a doppia banda laterale........................................................... 64Figura 41-Segnale ottenuto dalla modulazione a doppia banda laterale.......................... 65Figura 42-Demodulazione a doppia banda laterale...................................................... 66Figura 43-Modulazione a quadratura.............................................................................. 67Figura 44-Segnale ottenuto dalla modulazione a quadratura.......................................... 68Figura 45-Demodulazione a quadratura......................................................................... 69Figura 46-Modulazione a codifica di fase..................................................................... 70Figura 47-Segnale ottenuto dalla modulazione a codifica di fase.................................. 71Figura 48-Demodulazione a codifica di fase................................................................ 72Figura 49-Modulazione a codifica di frequenza........................................................... 73Figura 50-Segnale ottenuto dalla modulazione a codifica di frequenza.......................... 74Figura 51-Demodulazione a codifica di frequenza....................................................... 75Figura 52-Modulazione a codifica di ampiezza........................................................... 76Figura 53-Segnale ottenuto dalla modulazione a codifica di ampiezza.......................... 77Figura 54-Demodulazione a codifica di ampiezza....................................................... 78Figura 55-Modulazione a codifica di fase e frequenza................................................ 79Figura 56-Segnale ottenuto dalla modulazione a codifica di fase e frequenza............... 80Figura 57-Demodulazione a codifica di fase e frequenza............................................ 81Figura 58-Modulazione a codifica di fase e ampiezza................................................ 82Figura 59-Segnale ottenuto dalla modulazione a codifica di fase e ampiezza............... 83Figura 60-Demodulazione a codifica di fase e ampiezza............................................ 84Figura 61-Modulazione a codifica di frequenza e ampiezza........................................ 85Figura 62-Segnale ottenuto dalla modulazione a codifica di frequenza e ampiezza....... 86Figura 63-Demodulazione a codifica di frequenza e ampiezza.................................... 87Figura 64-Modulazione a codifica di fase, frequenza e ampiezza................................ 88Figura 65-Segnale ottenuto dalla modulazione a codifica di fase, frequenza e ampiezza.. 89Figura 66-Demodulazione a codifica di fase, frequenza e ampiezza............................. 90Figura 67-Modulazione a codifica di fase, frequenza e ampiezza con rumore............... 91Figura 68-Segnale ottenuto dalla modulazione a codifica di fase, frequenza e ampiezza con rumore.................................................................................................................... 92Figura 69-Demodulazione a codifica di fase, frequenza e ampiezza con rumore........... 93Figura 70-Modulazione a codifica di fase, frequenza e ampiezza con interferenza....... 94Figura 71-Segnale ottenuto dalla modulazione a codifica di fase, frequenza e ampiezza con interferenza............................................................................................................. 95Figura 72-Demodulazione a codifica di fase, frequenza e ampiezza con interferenza.... 96Figura 73-Modulazione a codifica di fase, frequenza e ampiezza con distorsione........ 97Figura 74-Segnale ottenuto dalla modulazione a codifica di fase, frequenza e ampiezza con distorsione............................................................................................................. 98Figura 75-Demodulazione a codifica di fase, frequenza e ampiezza con distorsione.... 99Figura 76-Modulazione a codifica di fase, frequenza e ampiezza con rumore e interferenza.................................................................................................................... 100Figura 77-Segnale ottenuto dalla modulazione a codifica di fase, frequenza e ampiezza con rumore e interferenza.......................................................................................... 101Figura 78-Demodulazione a codifica di fase, frequenza e ampiezza con rumore e interferenza.................................................................................................................... 102Figura 79-Modulazione a codifica di fase, frequenza e ampiezza con rumore e distorsione.................................................................................................................... 103Figura 80-Segnale ottenuto dalla modulazione a codifica di fase, frequenza e ampiezza con rumore e distorsione.......................................................................................... 104Figura 81-Demodulazione a codifica di fase, frequenza e ampiezza con rumore e distorsione.................................................................................................................... 105Figura 82-Modulazione a codifica di fase, frequenza e ampiezza con interferenza e distorsione.................................................................................................................... 106Figura 83-Segnale ottenuto dalla modulazione a codifica di fase, frequenza e ampiezza con interferenza e distorsione.......................................................................................... 107Figura 84-Demodulazione a codifica di fase, frequenza e ampiezza con interferenza e distorsione.................................................................................................................... 108

modulante in zona nonlineare.......................................................................................................................... 46

Figura 24-Contenuto armonico del segnale in uscita per una modulazione in zona nonlineare.......................................................................................................................... 47

Figura 25-Vettore di spazio della SVM...........................................................................49

Figura 26-Tempo di modulazione..................................................................................49

Figura 27-Calcolo del vettore di spazio compreso tra V1 e V2......................................50

Figura 28-schematizzazione avvolgimento statore e segnale trifase............................545

Figura 29-Struttura motore sincrono a magneti permanenti........................................56

Figura 30-Schema a blocchi

powertrain........................................................................58

Figura 31-Caratteristiche meccaniche del motore........................................................59

Figura 32-Dimensioni del supporto motore...................................................................60

Figura 33-prestazioni ME1507...................................................................................... 61

Figura 34-Inverter Sevcon GEN4................................................................................... 63

Figura 35-Inverter Zapi BLE4........................................................................................ 67

Figura 36-KOKAM CELL SLPB90255255H......................................................................69

Figura 37-Caratteristiche della cella SLPB90255255H..................................................70

Figura 38-XALT CELL F900-002/F900-1002...................................................................72

Figura 39-Caratteristiche

meccaniche della F900-002/F900-1002................................73

Figura 40-Caratteristiche di carica della cella...............................................................74

Figura 41-Caratteristiche di scarica della cella.............................................................75

Figura 42-Pouch cell dilatata......................................................................................... 78

Tabella 1- Peso del pacco batteria a seconda della chimica utilizzata..........................12

Tabella 2-Stadi dell'inverter.......................................................................................... 36

Tabella 3-Stadi degli interruttori................................................................................... 486

AbstractThe objective of the thesis is the design of an electric powertrain for racing go-karts. The goal is to perform the sizing of the battery pack, traction inverter andmotor for a 30hp electric-kart. Starting from the data of the FIA regulations,

Un motore asincrono PM in grado di erogare almeno 30hp è stato selezionato insieme a un adeguato inverter di trazione e un pacco batterie.

Introduzione

L'obiettivo della tesi è quello di studiare un powertrain elettrico per go-kart da competizione, in conformità con il regolamento FIA, al fine di realizzare un go-kart in grado di erogare almeno 30hp sull'asse. Per studiare il powertrain in conformità con il regolamento, è stato prima analizzato nel dettaglio tutta la normativa FIA aggiornata all'anno corrente e successivamente sono stati ricercati i componenti per la sua realizzazione.

In particolare, nel primo capitolo è stata discussa la struttura di un kart, la classificazione, le componentistiche meccaniche ed elettriche presenti a bordo e i vari limiti imposti dalla FIA.

Nel secondo capitolo è stato analizzato il pacco batteria, partendo dalla ricerca di due celle pouch quanto più valide per l'oggetto di studio e si è proceduto con la dimensionamento di tutto il sistema.

magneti permanenti ad alta efficienza per il sistema di trazione. Sono state analizzate le caratteristiche di questo tipo di motore, come la coppia elettrica, la velocità di rotazione e l'efficienza. Inoltre, sono stati presi in considerazione i vantaggi e gli svantaggi di questo tipo di motore rispetto ad altri tipi di motori elettrici. Infine, nel quinto capitolo, ho presentato una simulazione del sistema di trazione utilizzando il motore sincrono a magneti permanenti. Sono stati analizzati i risultati della simulazione, come la velocità di rotazione del motore, la coppia elettrica generata e l'efficienza del sistema. Inoltre, sono state discusse le possibili migliorie da apportare al sistema per ottimizzare le prestazioni. In conclusione, questo lavoro di tesi ha permesso di approfondire le conoscenze sulle tecnologie utilizzate nei sistemi di trazione elettrica, in particolare sugli inverter trifase e sui motori sincroni a magneti permanenti. Sono state analizzate le caratteristiche di questi componenti e sono state proposte delle soluzioni per migliorare le prestazioni del sistema.

Capitolo 1

Il Kart

1.1 Definizione di kart

Il kart è un veicolo monoposto senza cabina di pilotaggio, non ha sospensioni ed è dotato di quattro ruote. Le ruote anteriori servono a controllare la direzione, le posteriori a fornire potenza.

Le parti fondamentali di un kart elettrico sono:

1. Il telaio
2. Gli pneumatici
3. Il motore elettrico
4. La batteria di trazione

1.2 Classificazione del Kart

Nel mondo del karting esistono due tipologie di motorizzazioni:

1. Motori a combustione interna
2. Motori elettrici

Le similitudini delle componentistiche tra le due categorie sono moltissime e pertanto si è cercato di stabilire, attraverso un'unica normativa, un regolamento a cui entrambe le motorizzazioni devono far riferimento per poter partecipare agli eventi.

Il kart analizzato nell'elaborato ha una motorizzazione elettrica, si evidenziano pertanto due gruppi:

Gruppo 1: kart con batterie al piombo e/o nichel ferro

• Peso minimo telaio kart 70 Kg
• Peso minimo complessivo di pilota 230 Kg
• Peso massimo complessivo di pilota 240 Kg

Gruppo 2: kart con batterie al nichel-zinco, nichel-metallo idruro, ioni di litio, e polimero di litio metallico (lipo).

• Peso minimo telaio kart 60 Kg
• Peso minimo complessivo di pilota 175 Kg
• Peso massimo complessivo di pilota 185 Kg

Il peso del pacco batteria varia a seconda della chimica utilizzata; nella tabella 1 vengono brevemente riassunti tutti i pesi e tutte le chimiche omologate per la realizzazione dello stesso.

Tabella 1 - Peso del pacco batteria a seconda della chimica utilizzata

1.3 Body frame e telaio

del kart