Figura 4.26: Volante con display e datalogger integrato
La centralina ha la funzione di raccogliere e processare i segnali dei sensori, acquisire i segnali di freno ed acceleratore, elaborare i dati in base allo stato della vettura e decidere i segnali di coppia da inviare agli inverter che controllano i motori. Deve inoltre gestire tutto il sistema di bassa tensione, rilevando malfunzionamenti e ga-rantendo la sicurezza generale.
L’architettura del sistema di bassa tensione consiste in una rete di unità di controllo dedicate (come ad esempio quelle dei motori o quella del BMS) che comunicano con la centralina via CAN bus. Questa struttura è stata scelta per compartimentare le funzioni e rendere più facili sviluppo e debug. La rete CAN garantisce un’ottima gestione degli errori e permette di aggiungere eventuali nuove unità al sistema senza alterare la struttura già esistente.
Un datalogger all’interno del volante (Figura 4.26) registra i dati dei sensori, che possono essere poi scaricati su un computer rimuovendo il volante.
Il lavoro sugli inverter ha portato ad una certa confidenza con schede a microcon-trollore Texas Instruments. Vista l’assenza di unità commerciali economiche da uti-lizzare come unità centrale, si è optato per uno sviluppo su misura anche di questa componente. Il cuore della centralina è una scheda a microcontrollore LaunhPad F28377S (la stessa utilizzata negli inverter) che integra moduli di comunicazione CAN, SPI e USB, 4 convertitori analogico digitali ad approssimazioni successive (con precisione fino a 16 bit), 12 uscite PWM e 169 GPIO. Questa si inserisce su
4.4. Centralina e controlli 75
scheda madre specificamente sviluppata (figura 4.27) che adatta i segnali dei sen-sori, gestisce tutte le alimentazioni e interfaccia la scheda LaunchPad con il resto della vettura. Il software è scritto in C partendo da zero, in questo modo si ha una conoscenza molto approfondita del comportamento del sistema.
Figura 4.27: Scheda madre dell’unità centrale
Il costo in termini di ore di sviluppo è compensato dal risparmio in termini di costo dell’hardware. Sistemi commerciali adatti all’applicazione arrivano a prezzi di decine di migliaia di euro, mentre la soluzione autosviluppata riduce i costi fino a due ordini di grandezza. Si rammenta che la finalità principale del progetto è la didattica, quindi tale scelta nello sviluppo è la più in linea possibile con la filosofia della competizione.
Per il controllo è stato creato inizialmente un modello fisico-matematico della vettu-ra in MATLAB, da utilizzare come base per lo sviluppo dei controlli e delle funzioni (torque vectoring, controllo di trazione, ABS etc). Il modello è diviso in tre bloc-chi funzionali: il primo implementa la teoria della dinamica del veicolo, il secondo considera i percorsi di carico a terra attraverso i modelli di sospensioni e gomme, mentre l’ultimo modellizza motori e trasmissione. Le uscite principali sono velocità del veicolo, velocità di imbardata e angolo di assetto, in modo da poter fare un confronto con i valori reali misurabili con sensori e calibrare il modello.
Capitolo 5
Partecipazione agli eventi
La vettura, ancora in fase di costruzione, ha partecipato alla Formula Student Germany nel 2016, per avere un primo feedback sulla progettazione.
Figura 5.1: Esposizione del design ai giudici della Formula Student Germany
Figura 5.2: Il team 2016 all’evento tedesco
78 Capitolo 5. Partecipazione agli eventi
Nel 2017, Origin-e partecipa alla Formula SAE Italy nella classe 3, riscuotendo molto interesse da parte dei giudici e piazzandosi al primo posto nella prova di Engineering Design.
Figura 5.3: Illustrazione del progetto del motore alla Formula SAE Italy 2017
Conclusione
Questo lavoro di tesi descrive il sistema di propulsione a trazione integrale svilup-pato per la prima monoposto Formula SAE elettrica dell’Università di Padova. Sono state illustrate nel dettaglio le soluzioni tecniche adottate, in particolare per quanto riguarda la progettazione e la realizzazione dei motori sincroni, dei quali l’autore si è occupato in prima persona.
La massimizzazione della coppia specifica è stata perseguita adottando la topologia a rotore esterno, un avvolgimento a cave frazionarie e un raffreddamento diretto ad olio. Il ferro di rotore è stato eliminato utilizzando magneti permanenti in configu-razione Halbach, migliorando l’induzione magnetica al traferro e riducendo massa ed inerzia rotazionale.
Sono stati costruiti dei prototipi intermedi, il cui processo produttivo viene spiegato sia in termini di miglioramenti che di compromessi.
La versione finale del motore eroga una coppia massima di 50 Nm e presenta una densità di coppia di 18 Nm/kg.
L’elaborato termina con una breve descrizione generale delle altre parti della mo-noposto, il cui obiettivo è stato il creare una base solida di conoscenze e soluzioni tecniche per il futuro del progetto Formula SAE a Padova.
La vettura ha partecipato alla Formula Student Germany 2016 e alla Formula SAE Italy 2017 nella classe 3. In questo secondo evento si è classificata al primo posto nella prova di Engineering Design.
Bibliografia
[1] Pagina ufficiale Formula SAE http://fsaeonline.com/
[2] Pagina ufficiale Formula Student Germany https://www.formulastudent.de/
[3] Regolamento Formula SAE 2016
http://www.fsaeonline.com/content/2015-16%20FSAE%20Rules%20revision%2 091714%20kz.pdf
[4] Marco Munaro, Nicola Bianchi, and Giovanni Meneghetti, “High Torque Density PM Motor for Racing Applications”, in 2017 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 1-5 Oct. 2017, Cincinnati, US, pp. 5826 - 5833.
[5] A. M. EL-Refaie, J. P. Alexander, S. Galioto, P. B. Reddy, Kum-Kang Huh, P. de Bock, X. Shen, “Advanced High-Power-Density Interior Permanent Magnet Mo-tor for Traction Applications”, in IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 50, Sept.-Oct. 2014, pp. 3235 - 3248.
[6] Jian Luo, Cheng Zhao, Ronghai Qu, Lingyun Gu, Xiaobo Zhang, “A comparison of IPM traction machines with different PM materials”, in 2013 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 15-19 Sept. 2013, Denver, CO, USA.
[7] Wataru Kakihara, Masatsugu Takemoto, Satoshi Ogasawara, “Rotor structure in 50 kW spoke-type interior permanent magnet synchronous motor with ferrite per-manent magnets for automotive applications”, in 2013 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 15-19 Sept. 2013, Denver, CO, USA.
[8] P. B. Reddy, A. M. El-Refaie, Kum-Kang Huh, J. K. Tangudu, T. M. Jahns, “Comparison of interior and surface PM machines equipped with fractional-slot concentrated windings for hybrid traction applications”, in 2011 IEEE Energy
82 Bibliografia
Conversion Congress and Exposition (ECCE), 17-22 Sept. 2011, Phoenix, AZ, USA.
[9] Patel B. Reddy, T. M. Jahns, Patrick J. McCleer, Theodore. P. Bohn, “Desi-gn, analysis and fabrication of a high-performance fractional-slot concentrated winding surface PM machine”, in 2010 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 12-16 Sept. 2010, Atlanta, GA, USA.
[10] H.C. Lovatt, V.S. Ramsden, B.C. Mecrow, “Design of an in-wheel motor for a solar-powered electric vehicle”, in IEE Proceedings - Electric Power Applications, Vol. 145, Sep. 1998, pp. 402 - 408.
[11] Klaus Halbach, “Specialty Magnets”, in 1985 AIP Conference Proceedings, U.S. Summer School on High Energy Particle Accelerators 10 July 1985, Palo Alto, CA.
[12] Klaus Halbach, “Design of Permanent Multipole Magnets with Oriented Ra-re Earth Cobalt Material”, in Nuclear Instruments and Methods, Vol. 169, 1 February 1980, pp. 1-10.
[13] Youngki Kim, Shankar Mohan, Jason B. Siegel, Anna G. Stefanopoulou, “Maximum Power Estimation of Lithium-Ion Batteries Accounting for Ther-mal and Electrical Constraints”, in ASME 2013 Dynamic Systems and Control Conference, Oct. 21-23, 2013, Palo Alto, CA, USA.
[14] Cree, Inc., “Design Considerations for Designing with Cree SiC Modules Part 1 - Understanding the Effects of Parasitic Inductance”, 2013 Application note. [15] Cree, Inc., “Design Considerations for Designing with Cree SiC Modules Part