DISEÑO BÁSICO DEL SISTEMA DE PROPULSIÓN ELÉCTRICO PARA EL FUTURO VEHÍCULO DE FÓRMULA SAE. Entidad colaboradora: ICAI Universidad Pontificia Comillas.

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1 DISEÑO BÁSICO DEL SISTEMA DE PROPULSIÓN ELÉCTRICO PARA EL FUTURO VEHÍCULO DE FÓRMULA SAE. Autor: Alonso Fuentes, David. Director: Norverto Moríñigo, Juan. Entidad colaboradora: ICAI Universidad Pontificia Comillas. RESUMEN DEL PROYECTO La Fórmula SAE es una competición entre equipos de universidades en la cual deben construir un monoplaza para superar diferentes eventos que pondrán a prueba todos los elementos del vehículo desde el sistema de propulsión, estructura, sistema de frenado, suspensiones, etc. Cada evento repartirá diferentes puntuaciones con lo que finalmente habrá un equipo ganador. Dado el ambiente internacional y profesional que envuelve el mundo de la Fórmula SAE, se pretende desde la Universidad Pontificia Comillas estudiar las posibilidades de formar un equipo propio. Observadores de grandes fabricantes de automóviles así como empresas dedicadas a la ingeniería tienen en muy buena consideración a los participantes de esta competición por lo que plantea como una verdadera motivación para los estudiantes que busquen un perfil ingenieril dentro del mundo de la automoción en un ambiente internacional. Este proyecto se ha realizado con vistas a ser implantado en un vehículo de Fórmula SAE que presumiblemente podría ser construido en años venideros en la Universidad Pontificia Comillas. Los objetivos perseguidos para el diseño de este sistema de propulsión han sido conseguir determinar los componentes que hagan capaz al coche realizar el evento endurance completo así como el de aceleración. Estos componentes son principalmente el motor (tipo, número, potencia, etc), sistema de

2 almacenamiento de energía (capacidad, potencia, autonomía) y por último el sistema de control (intensidad, admisión o no de frenada regenerativa). Para conseguir esto se ha partido de las velocidades y los tiempos obtenidos de una vuelta al circuito en el que se realizaría la prueba. Estos datos se consideraron buenos en su día cuando los llevó a cabo un vehículo con motor de combustión. Por lo tanto se pretende, al menos, conseguir dar una vuelta igual de buena. Con estos datos se determinarán los esfuerzos que debe vencer el vehículo en todo momento. A partir de estos esfuerzos se han obtenido las potencias necesarias para superarlos en el tiempo y a la velocidad requerida. Estas potencias serán los requerimientos mínimos a superar ya que son por efectos físicos externos. Sin embargo será necesario aumentarlas aplicando un rendimiento de la cadena cinemática a través de la cual se disipará energía en forma de calor así como del motor. Una vez se tiene un perfil de potencias que se debe superar se realiza un estudio de los componentes disponibles en el mercado para elegir aquellos que presenten tanto mejores prestaciones como mejores cualidades al vehículo como un todo. Se han tenido en consideración parámetros como el peso o el tamaño, además de los requisitos de potencia, tensión o capacidad de almacenamiento de energía, para la elección de los principales componentes. Para completar el diseño de la planta de propulsión será necesaria la instalación de los componentes de seguridad requeridos por la normativa, los cuales también se detallan así como la configuración completa de la planta. Tanto el diseño final del sistema completo como los componentes principales se han elegido pensando en la realización de un proyecto simple ya que sería la primera vez que la Universidad Pontificia Comillas participase en la competición. Por ello prima esta simplicidad para obtener con más seguridad un funcionamiento correcto de toda la planta. Se planteará para un futuro posibles modificaciones de la misma con el objetivo de mejorarla y poder competir de forma más ambiciosa. Para cerciorarse de que los componentes elegidos funcionan como se esperaba cumpliendo las expectativas se ha realizado un modelo en la herramienta de simulación de Matlab, Simulink. Con este modelo se pretende asegurar que el motor es capaz de entregar las potencias calculadas anteriormente con los cambios de velocidad requeridos, utilizando los datos específicos de cada componente. Este modelo no se ajusta exactamente a la realidad en la medida en que utiliza unos controladores para

3 ajustar la velocidad a la referencia teniendo en cuenta también el par que debe entregar. En el vehículo real, este control no existe sino que será el propio piloto el que a través del acelerador indique al sistema de control la demanda del piloto. La función de este sistema de control será aplicar al motor la tensión necesaria para obtener la intensidad y por tanto el par y velocidad requeridos por el piloto en función de la posición del acelerador. El modelo finalmente no solo asegurará que el sistema responderá correctamente a los requerimientos de una vuelta sino que también lo hará frente a los requerimientos del evento de aceleración. Estos requerimientos vendrán impuestos por normativa para superar el evento. Se determinará pues que el sistema elegido funcionará correctamente, comentando varias conclusiones. Se verá la importancia determinante de varios parámetros a la hora de simular como puedan ser la frecuencia de cálculo en la simulación o la elección del puente de diodos para el control de la tensión del motor, ya que el motor elegido habrá sido de corriente continua. También será tenida en cuenta la importancia en el dimensionamiento del sistema las posibles sobredimensiones, teniendo en cuenta hasta qué punto merecen la pena según rendimiento o prestaciones. Esto es especialmente importante a la hora de elegir tanto las baterías en las que se deberá vigilar el State Of Charge para que el rendimiento no descienda por debajo de unos límites preestablecidos, como en el motor el cual funcionará cercano a su potencia nominal la mayoría del tiempo. Los picos de potencia que podrá entregar el motor serán también importantes, ya que según el modelo elegido estos serán mayores, influyendo notablemente en el precio. Finalmente se hará una breve indicación de los costes totales estimados para el sistema completo basándose en los precios proporcionados por los distribuidores y fabricantes especializados que han sido consultados.

4 BASIC ELECTRIC PROPULSION SYSTEM DESIGN FOR A FORMULA SAE VEHICLE. Project summary. Formula SAE is a competition between teams made up of students from different universities who have to build a vehicle in order to overcome several events. These events will test all the components including the propulsion system, structure, braking system or suspension. Every event will give punctuation so at the end will be a winner team. Due to the international and professional atmosphere involving Formula SAE, Pontificia Comillas University wants to examine if it is possible to have its own team. Headhunters who belong to car manufacturers or engineering companies appreciate quite well to candidates who have work on it. Therefore, this motivates students who want to develop their career as automobile engineers in an international atmosphere. This project has been developed in order to be implemented in a Formula SAE vehicle that could be built by Pontificia Comillas Universuty next years. The main objectives have been to choose components in order to pass the endurance and acceleration event. Principal components are the electric motor (type, number of them, power), energy storage (capacity, power, autonomy) and control system (current, regenerative braking or not). To get this, the starting point has been the speed and time for a typical lap on the circuit. These data was considered to be correct for a vehicle with thermic engine. Thus, the aim is to get at least these results. Speed and time will determine the efforts that the vehicle must overcome, and then, power will be obtained. This will be the minimum power required in order to overcome physical efforts. However, it will be necessary to apply a coefficient to represent heat loses through the cinematic chain. Once the power needed is obtained, components available in the market will be examined to choose the ones that offer the best characteristics as well as the best qualities. Parameters as weight or size has been taken into account in addition to requirements as power, voltage or capacity to store energy, focused to choose main

5 components. Installation of security components will be mandatory as a requirement of security official rules. These components will be specified as well as the complete propulsion system. As a first experience of Pontificia Comillas Universuty in Formula SAE competition, final system design and components have been chosen aimed to perform a simple project. This simplicity is very important to ensure that the propulsion system works properly. Some modifications are proposed to be implemented in the future in order to be more ambitious and improve the propulsion system. To be sure that main components work as they are expected, a model has been developed in Simulink, the simulation tool provided by Matlab. This model will test if the motor gives the power calculated and if it is able to vary speed as fast as required. Specific parameters of main components will be introduced. The model uses PI controllers to adjust the speed to reference taking into account the torque required. In the real vehicle these controllers do not exist, the driver will control speed and torque giving orders to a control system through the throttle. This control system will apply different voltage to the motor to obtain current and then torque depending on the requirements of the driver. Finally, the model not only will ensure the correct performance of the propulsion system during a lap, but also will ensure a correct performance during the acceleration event. These minimum requirements of acceleration will be imposed by official rules. At the end, a correct performance of the system will be determined, explaining several conclusions. As the motor chosen will be a DC motor, the great importance of frequency in calculations or the four diodes bridge used to control the voltage applied to the motor will be explained en deep. In addition, it will be checked when it is useful to over dimension some of the components taking into account prices, characteristics or efficiency. This will be important to choose the battery for example, because the State of Charge should not be under a certain value and then, the capacity should have a minimum value. Peaks of power given by different models of motor will be also determinant to choose the final one; the price is very different depending on the model. Finally a brief indication of final costs based on prices offered by specialized manufacturers will be shown.