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Tesi SCXV 160625 .pdf



Nome del file originale: Tesi_SCXV_160625.pdf
Autore: Davide Collotta

Questo documento in formato PDF 1.5 è stato generato da Microsoft® Word 2013, ed è stato inviato su file-pdf.it il 26/06/2016 alle 11:47, dall'indirizzo IP 93.50.x.x. La pagina di download del file è stata vista 2752 volte.
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POLITECNICO DI TORINO
Collegio di Ingegneria Elettrica
Corso di Laurea Magistrale

in Ingegneria Elettrica

Progetto del Sistema elettrico di trazione
per un veicolo elettrico da competizione

Relatori

Candidato

Ch.mo Prof. Paolo Guglielmi

Davide.Collotta

Ch.mo Prof. Andrea Tonoli

ANNO ACCADEMICO 2015 – 2016
1

2

Sommario
Indice delle figure .....................................................................................................................................6
1

Dimensionamento e scelta del PowerTrain elettrico ........................................................................9
1.1.

Analisi comparativa 2WD e 4WD ...........................................................................................10

1.2.

Soluzioni commerciali ............................................................................................................18

1.2.1.

Magneti Marelli.............................................................................................................18

1.2.2.

Compact Dynamics........................................................................................................20

1.2.3.

AMK ..............................................................................................................................22

1.3.

Scelta effettuata ....................................................................................................................24

2

Architettura di sistema...................................................................................................................25

3

Pacco Batterie HV ..........................................................................................................................29
3.1.

Regolamento Formula SAE 2015 ............................................................................................30

3.2.

Dimensionamento energetico ...............................................................................................33

3.2.1.
3.3.

Dimensionamento elettrico ...................................................................................................41

3.3.1.
3.4.

Dimensionamento segmenti .........................................................................................51

Dimensionamento termico ....................................................................................................52

3.5.1.

Test in camera climatica ................................................................................................53

3.5.1.1.

Prova simulazione endurance ...................................................................................54

3.5.1.2.

Prova con giro di riferimento ripetuto.......................................................................56

3.5.1.3.

Prova con giro di riferimento ripetuto e fattore correttivo potenza ..........................58

3.6.

Sistema di sicurezza ...............................................................................................................60

3.6.1.

Tractive System Active Light (TSAL) ...............................................................................60

3.6.2.

Insulation Monitoring Device (IMD) ..............................................................................62

3.7.
4

Pre-charge e discharge ..................................................................................................43

Scelta delle celle ....................................................................................................................48

3.4.1.
3.5.

Modello profilo di carico dei motori ..............................................................................35

Battery Management System (BMS) ......................................................................................64

Impianti e servizi ............................................................................................................................67
4.1.

Cablaggio ...............................................................................................................................67

4.1.1.

Cablaggio High Voltage (HV) ..........................................................................................67

3

4.1.2.
4.2.
5

6

7

Cablaggio Low Voltage (HV) ..........................................................................................70

Batteria LV .............................................................................................................................73

Controllo veicolo ............................................................................................................................75
5.1.

VMU (Vehicle Management Unit) ..........................................................................................76

5.2.

CSU (Cooling System Unit) .....................................................................................................77

5.3.

BCSU (Battery Cooling System Unit).......................................................................................79

5.4.

DRS (Drag Reduction System) ................................................................................................80

5.5.

Steering Wheel Board ............................................................................................................81

5.6.

– Dashboard ..........................................................................................................................83

5.7.

Telemetria e Data Logging .....................................................................................................85

5.8.

BBB (Balance Bar Board) ........................................................................................................87

Prove sperimentali .........................................................................................................................89
6.1.

Analisi acceleration ................................................................................................................89

6.2.

Analisi SKID-PAD ....................................................................................................................92

6.3.

Analisi Endurance ..................................................................................................................93

Conclusioni ....................................................................................................................................97

APPENDICE A ..........................................................................................................................................98
Estratto codice VMU ..........................................................................................................................98
APPENDICE B ........................................................................................................................................ 102
Estratto codice MATLAB per simulazione profilo di carico SCXV .......................................................102
APPENDICE C ........................................................................................................................................ 105
Estratto Electrical Safety Form Formula ATA 2015 ............................................................................ 105
APPENDICE D ........................................................................................................................................ 115
Documenti Cost event Formula Student Austria 2015 e Formula ATA 2015 ...................................... 115
APPENDICE E ........................................................................................................................................ 125
Esempio progettazione scheda elettronica SquadraCorse.Balance Bar Board Design ............................125
Bibliografia ........................................................................................................................................... 142

4

Indice delle tabelle
Indice delle tabelle

Tabella 1-1 - Caratteristiche motori MM .................................................................................................18
Tabella 1-2 - Caratteristiche inverter MM ...............................................................................................19
Tabella 1-3 – PRO/CONTRO Magneti Marelli ..........................................................................................20
Tabella 1-4 – Caratteristiche motori Compact Dynamics .........................................................................21
Tabella 1-5 – Caratteristiche inverter Compact Dynamics .......................................................................21
Tabella 1-6 – PRO/CONTRO Compact Dynamics......................................................................................22
Tabella 1-7 – Caratteristiche motori AMK ...............................................................................................22
Tabella 1-8 – Caratteristiche inverter AMK .............................................................................................22
Tabella 1-9 – PRO/CONTRO AMK ............................................................................................................23
Tabella 3-1 – Tensioni massime competizioni Formula SAE.....................................................................31
Tabella 3-2 – Risultati simulazione capacità in batteria ...........................................................................33
Tabella 3-3 – Caratteristiche inverter AMK .............................................................................................41
Tabella 3-4 – Caratteristiche resistore di pre-charge ...............................................................................45
Tabella 3-5 - Caratteristiche resistore di discharge..................................................................................47
Tabella 3-6 – Caratteristiche cella SLP7785186 - Melasta........................................................................48
Tabella 3-7 – Confronto celle in commercio ............................................................................................49
Tabella 3-8 – Scelta numero celle per segmento .....................................................................................51
Tabella 3-9 – Risultati, primo test ...........................................................................................................56
Tabella 3-10 – Risultati, secondo test......................................................................................................57
Tabella 3-11 – Risultati, terzo test...........................................................................................................59
Tabella 3-12 – Caratteristiche TSAL.........................................................................................................61
Tabella 3-13 – Caratteristiche IMD..........................................................................................................63
Tabella 4-1 – Dati di targa motori AMK ...................................................................................................68
Tabella 4-2 – Consumi Cooling ................................................................................................................73
Tabella 5-1 – Caratteristiche VMU ..........................................................................................................76
Tabella 5-2 – Caratteristiche CSU ............................................................................................................78
Tabella 5-3 – Caratteristiche BCSU ..........................................................................................................79
Tabella 5-4 – Caratteristiche DRS ............................................................................................................80
Tabella 5-5 – Caratteristiche Steering Wheel Board ................................................................................82
Tabella 5-6 – Caratteristiche Steering Wheel Board ................................................................................83
Tabella 5-7 – Caratteristiche Telemetria e DLU .......................................................................................85
Tabella 5-8 – Compativa motori ..............................................................................................................87
Tabella 5-9 – Caratteristiche DRS ............................................................................................................88
Tabella 6-1 – Energia endurance .............................................................................................................95

5

Indice delle figure
Indice delle figure
Figura 1-1 – Particolare motoruota ..............................................................................................9
Figura 1-2 – Sistema HV in auto vista dall’alto ...........................................................................11
Figura 1-3 – Particolare canaline cockpit vista dall’alto .............................................................11
Figura 1-4 – Comparazione coppia alla ruota 2WD e 4WD ........................................................12
Figura 1-5 – Comparazione accelerazione vettura 2WD e 4WD .................................................12
Figura 1-6 – Comparazione velocità vettura 2WD e 4WD ..........................................................13
Figura 1-7 – Trasferimento di carico...........................................................................................14
Figura 1-8 - Diagramma di forze ruota ......................................................................................14
Figura 1-9 –Schema Simulink energia recuperata 4WD .............................................................15
Figura 1-10–Schema Simulink energia recuperata 2WD ............................................................16
Figura 1-11 - percentuale energia recuperate vs decelerazione ................................................16
Figura 1-12 – percentuale energia recuperate con rendimenti vs decelerazione ......................17
Figura 1-13 - Curve Potenza/velocita - Coppia/velocità motore MM .........................................19
Figura 1-14 – Coppia – velocità motore Compact Dynamics ......................................................20
Figura 1-15 - Curve Potenza/velocita - Coppia/velocità motore AMK ........................................23
Figura 2-1 – Architettura elettrica del veicolo ............................................................................25
Figura 2-2 – Schema powertrain elettrico ..................................................................................26
Figura 2-3 – Powertrain elettrico (motori in rosso, inverter in verde) .......................................27
Figura 3-1 – BCG Value chain for Electric-Car Batteries..............................................................29
Figura 3-2 – Particolare pacco batterie SCXV .............................................................................30
Figura 3-3 Lap’s Power Profile vs time, giro simulato Varano con motori SCXV .........................33
Figura 3-4 – TPS vs time, telemetria endurance Varano sc12e ..................................................35
Figura 3-5 – TPS vs time, telemetria giro endurance Varano sc12e ...........................................35
Figura 3-6 – Coppia alla ruota vs time, giro simulato Varano con motori SCXV .........................36
Figura 3-7 – Velocità ruota vs time, telemetria giro endurance Varano sc12e...........................36
Figura 3-8 – Potenza sul DC bus vs time, giro simulato Varano con motori SCXV ......................37
Figura 3-9 – Rear brake pressure vs time, telemetria giro endurance Varano sc12e .................37
Figura 3-10 – Rear Brake Torque vs time, calcolata da telemetria giro endurance Varano sc12e
...................................................................................................................................................38
Figura 3-11 – Brake Power vs time, calcolata da telemetria giro endurance Varano sc12e .......38
Figura 3-12 – Lap’s Load profile vs time, giro simulato Varano con motori SCXV ......................39
Figura 3-13 – Lap’s Power Profile vs time, giro simulato Varano con motori SCXV ....................39
Figura 3-14 – Confronto profilo di carico simulato da telemetria Varano sc12e e profilo reale
telemetria Varano SCXV .............................................................................................................40
6

Indice delle figure
Figura 3-15 - Curve Potenza/velocita - Coppia/velocità motore AMK ........................................41
Figura 3-16 – Schema pre-charge ...............................................................................................43
Figura 3-17 – Andamento tensione di pre-charge ......................................................................44
Figura 3-18 – Andamento corrente di precarica.........................................................................45
Figura 3-19 – Posizione resistenza di precarica ..........................................................................45
Figura 3-20 – Andamento tensione di discharge ........................................................................46
Figura 3-21 – Andamento corrente di discharge ........................................................................47
Figura 3-22 – Datasheet Melasta SLPB7785186 .........................................................................50
Figura 3-23 – CAD segmento pacco batterie ..............................................................................51
Figura 3-24 – Lap’s Power Profile vs time, giro simulato Varano con motori SCXV ....................52
Figura 3-25 – a) Segmento prova 4 celle b) collegamento sensori .............................................53
Figura 3-26 – Test camera climatica ...........................................................................................53
Figura 3-27 – Pannello di controllo ............................................................................................54
Figura 3-28 – Corrente richiesta primo test ...............................................................................54
Figura 3-29 – Corrente richiesta e misurata su giro, primo test .................................................55
Figura 3-30 – Tensione celle misurate, primo test .....................................................................55
Figura 3-31 – Temperature segmento misurate, primo test ......................................................55
Figura 3-32 - Corrente richiesta e misurata su giro, secondo test ..............................................56
Figura 3-33 – Tensione celle misurate, secondo test .................................................................57
Figura 3-34 – Temperature segmento misurate, secondo test ..................................................57
Figura 3-35 - Corrente richiesta e misurata su giro, terzo test ...................................................58
Figura 3-36 – Tensione celle misurate, terzo test .......................................................................58
Figura 3-37 – Temperature segmento misurate, terzo test........................................................59
Figura 3-38 – Schema elettrico TSAL lato HV..............................................................................60
Figura 3-39 - Schema elettrico TSAL lato LV ...............................................................................61
Figura 3-40 – PCB TSAL ...............................................................................................................61
Figura 3-41 – Posizione PCB TSAL ...............................................................................................62
Figura 3-42 – Posizione IMD .......................................................................................................63
Figura 3-43 – Collegamento celle su PCB ...................................................................................65
Figura 3-44 – PCB collegamento celle ........................................................................................65
Figura 4-1 – Lap’s Current Profile vs time, giro simulato Varano con motori SCXV ....................67
Figura 4-2 – Estratto datasheet cavo DC bus ..............................................................................68
Figura 4-3 – Cablaggio HV in vettura, vista di lato ......................................................................69
Figura 4-4 – Cablaggio HV, vista di lato ......................................................................................69
Figura 4-5 – Cablaggio HV, vista dall’alto ...................................................................................69
7

Indice delle figure
Figura 4-6 – PINOUT SCXV ..........................................................................................................70
Figura 4-7 – Schema funzionale cablaggio LV .............................................................................70
Figura 4-8 – Cablaggio LV, vista di lato .......................................................................................71
Figura 4-9 – Schema ragno cablaggio .........................................................................................71
Figura 4-10 – Tabella funzionale ................................................................................................72
Figura 4-11 – Cablaggio LV SCXV ................................................................................................72
Figura 5-1 – Architettura elettronica veicolo..............................................................................75
Figura 5-2 – VMU board .............................................................................................................77
Figura 5-3 – CSU board ...............................................................................................................78
Figura 5-4 – BCSU board.............................................................................................................79
Figura 5-5 – DRS board ...............................................................................................................81
Figura 5-6 – a) Steering wheel board, b) Volante .......................................................................82
Figura 5-7 – Dashboard PCB .......................................................................................................84
Figura 5-8 – Posizionamento schede DASH ................................................................................84
Figura 5-9 a) DLU PCB, b) PCB telemetria ...................................................................................86
Figura 5-10 – BBB PCB ................................................................................................................88
Figura 6-1 – Velocità ruote acceleration senza traction control .................................................90
Figura 6-2 – Coppia alle ruote acceleration senza traction control ............................................90
Figura 6-3 - Velocità ruote acceleration con traction control attivo...........................................91
Figura 6-4 – Tracciato Skid-pad ..................................................................................................92
Figura 6-5 – differenziale elettronico .........................................................................................92
Figura 6-6 – Profili di Potenza endurance Varano 2015 .............................................................94
Figura 6-7 – temperature motori endurance Varano 2015 ........................................................95

8

Dimensionamento e scelta del PowerTrain elettrico

Capitolo 1

1 Dimensionamento e scelta del PowerTrain elettrico

Figura 1-1 – Particolare motoruota

La scelta e il dimensionamento del powertrain in un vettura da corsa è fortemente influenzato
dai limiti di regolamento della competizione per cui essa viene progettata. La vettura SCXV è
stata progettata per partecipare alle competizioni internazionali della Formula Student. Il
regolamento “2015 Formula SAE® Rules” [1] limita a 80kW la massima potenza istantanea in
uscita dal pacco batterie durante tutte le prove delle competizioni. A partire dai limiti di
regolamento, il dimensionamento del powertrain è stato basato sulle prestazione volute nelle
prove specifiche della competizione: acceleration, skipad, autocross ed endurance. Le prove di
accelerazione ed endurance sono quelle che più influenzano tale scelta.
L’obiettivo dell’acceleration è quello di percorrere 75m in rettilineo nel minor tempo possibile.
Il target di tempo, fissato in funzione dei tempi registrati durante le competizioni precedenti è
9

Dimensionamento e scelta del PowerTrain elettrico

Capitolo 1

di 3.5 s. Oltre ad un buon controllo dinamico della vettura e quindi necessario sfruttare al
massimo tutta la potenza disponibile. Questo aspetto spinge quindi alla scelta di motori
sovraccaricabili per tutta la durata della prova.
L’obiettivo dell’endurance è quello di percorre 22km nel minor tempo possibile e con il minimo
consumo energetico. Un buon piazzamento in questa prova è frutto di un compromesso tra peso
della vettura, capacità disponibile in batteria e rendimento del powertrain. Il dimensionamento
dei motori viene quindi fatto in funzione della potenza media della prova.
Un buon powertrain elettrico deve quindi essere in grado di fornire 80kW per tutta la durata
dell’acceleration e avere una potenza nominale superiore alla potenza media richiesta durante
l’endurance.

1.1. Analisi comparativa 2WD e 4WD
Uno delle innovazioni più importanti della vettura SCXV rispetto alle vetture precedenti è la
trazione a quattro ruote motrici, realizzata con 4 motori montati su ogni ruota tramite una
trasmissione epicicloidale. La scelta del numero di ruote di trazione deve essere basata su più
aspetti: ingombri, dinamica, efficienza frenata rigenerativa, complessità del sistema e del
controllo. Assumiamo a priori la volontà di utilizzare un minimo di due motori per garantire una
ripartizione elettronica della coppia di trazione.
È intuitivo che l’utilizzo di quattro motori anziché due comporta una maggiore complessità in
termini di ingombri e packaging della vettura. In un sistema 2WD è relativamente facile
posizionare i motori onboard nella parte posteriore della vettura, in cui si ha disponibilità di
spazio. Per contro, in una vettura a 4 ruote motrici, il posizionamento onboard dei motori
anteriori crea notevoli problemi, essendo lo spazio disponibile ridotto e già destinato al
posizionamento di altri assiemi come pedaliera e cremagliera. Nasce quindi il bisogno di
installare i motori elettrici outboard direttamente sulle ruote, incrementando il peso delle masse
non sospese. Tale condizione comporta una maggiore complessità nella progettazione di molti
assiemi della vettura, tra cui la trasmissione. Il posizionamento di motori nell’anteriore della
vettura comporta inoltre di dover estendere il sistema in alta tensione su tutta la lunghezza della
stessa. In Figura 1-2 si nota infatti che i cavi AC (arancioni) si estendono su tutta la lunghezza
della vettura, attraversando anche il cockpit.

10

Dimensionamento e scelta del PowerTrain elettrico

Capitolo 1

Figura 1-2 – Sistema HV in auto vista dall’alto
Non potendo far scorrere i cavi all’esterno della vettura è necessario prevedere delle canaline
di passaggio dei cavi HV che isolino elettricamente il pilota dal sistema ad altra tensione e che
garantiscano le specifiche stringenti di sicurezza indicate nel regolamento (cfr. Figura 1-3).

Figura 1-3 – Particolare canaline cockpit vista dall’alto
11

Dimensionamento e scelta del PowerTrain elettrico

Capitolo 1

Per analizzare i benefici apportati dal passaggio da un sistema 2WD a 4WD sono state effettuate
delle simulazioni di accelerazione tramite il software VI-grade. In Figura 1-4 sono mostrati gli
andamenti simulati di coppia scaricata a terra sia della vettura 2WD SCR sia della vettura 4WD
SCXV. Per la simulazione in accelerazione della vettura SCXV è stato usato la curva di coppia dei
motori AMK descritti nel paragrafo 1.2.3. Si nota, per la vettura SCR, che la coppia massima
scaricabile a terra in partenza è limitata dallo scivolamento dello pneumatico sull’asfalto. Stessa
cosa si nota anche per la coppia sulle ruote anteriori nel sistema 4WD, le posteriori non sono
soggette invece a scivolamento.

Figura 1-4 – Comparazione coppia alla ruota 2WD e 4WD
In Figura 1-5 è mostrato l’andamento dell’accelerazione delle due vetture. Il risultato di poter
fornire maggiore coppia totale alle 4 ruote è quello di avere una maggiore accelerazione della
vettura 4WD.

Figura 1-5 – Comparazione accelerazione vettura 2WD e 4WD
12

Dimensionamento e scelta del PowerTrain elettrico

Capitolo 1

Dalla Figura 1-6 si evince che il risultato è quello di raggiungere una maggiore velocità in tempi
più brevi. Tale aspetto è importante non solo per la prova di acceleration, su cui la simulazione
si basa, ma anche per tutte le altre prove in cui una grande accelerazione in uscita di curva
permette di migliorare i tempi sul giro.

Figura 1-6 – Comparazione velocità vettura 2WD e 4WD

Le ottime prestazioni in accelerazione di una vettura a quattro ruote motrici sono accompagnate
anche da ottimi risultati in termini di energia recuperabile in decelerazione. Il reale potenziale
di una vettura 4WD su una 2WD sta proprio nella maggiore quantità di energia recuperabile in
frenata. Per valutare quantitativamente le prestazioni, è stata realizzata una simulazione su
Simulink che permette di calcolare l’energia recuperata dai due sistemi. La simulazione è
eseguita per una frenata su rettilineo da 100km/h a 0km/h, con differenti valori di decelerazione
imposta. In un primo momento è stato necessario calcolare il trasferimento di carico in funzione
della decelerazione voluta. In frenata, infatti, si ha una variazione tra le quote di peso che
gravano sull’asse posteriore e anteriore della vettura. In Figura 1-7 vengono mostrate le due
quote di peso in funzione dell’accelerazione. Si nota che la massima decelerazione accettata è
𝑚

di 18,639 2. Tale valore corrisponde al limite di aderenza degli pneumatici in condizioni di asfalto
𝑠

13

Dimensionamento e scelta del PowerTrain elettrico

Capitolo 1

caldo ed asciutto. Imponendo tale valore come massima decelerazione è possibile fare l’ipotesi
di ruote in puro rotolamento.
250
200
150

100

Massa front

50

Massa rear

0
0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

decelerazione [m/s2]

Figura 1-7 – Trasferimento di carico

Con le ipotesi fatte e i dati appena ottenuti, è possibile calcolare la coppia da applicare alle ruote,
posteriori e anteriori, al fine di ottenere la decelerazione desiderata. A tale scopo in Figura 1-8
è riportato il diagramma di forze alla ruota con le convenzioni di segno utilizzate [2].

Figura 1-8 - Diagramma di forze ruota
𝑟𝑎𝑑

𝜔: [

𝑠

] Velocità angolare;

𝑚

𝑎𝑐 : [𝑠 2] decelerazione lineare;
𝑘𝑔

J: [𝑚2] Momento di inerzia;
𝐶𝑓 : [𝑁𝑚] Coppia frenante
P: [N] Forza peso;

14

Dimensionamento e scelta del PowerTrain elettrico

Capitolo 1

N: [N] Forza normale;
T: [N] Forza tangenziale.

Di seguito è riportata la formula per il calcolo della coppia frenante.

𝐶𝑓 =

𝐽 ∙ 𝜔̇ + 𝑁 ∙ 𝑢
𝐽 ∙ 𝜔̇ + 𝑚 ∙ 𝑅 ∙ 𝜔̇
=
𝑇∙𝑅
𝑚 ∙ 𝑅2 ∙ 𝜔̇

(1)

La formula (1) è utilizzata per il calcolo della coppia frenante sui due assi, sostituendo
opportunamente i valori di massa ottenuti precedentemente.
Per calcolare l’energia recuperata è necessario dividere i due sistemi in oggetto. A tale scopo
sono stati realizzati due schemi Simulink che con le coppie appena calcolate in ingresso e la
velocità istantanea durante la frenata permettono di calcolare l’energia recuperata, come da
formula seguente:

𝐸𝑟 = ∫ 𝑝(𝑡) ∙ 𝑑𝑡 = ∫ 𝐶𝑓 ∙ 𝜔(𝑡) ∙ 𝑑𝑡

(2)

𝐸𝑟 : [J] Energia recuperata.

In Figura 1-9 è riportato lo schema per il sistema 4WD. Ai fini della simulazione sono stati
utilizzati i dati di targa dei motori AMK (cfr. paragrafo 1.2.3).

Figura 1-9 –Schema Simulink energia recuperata 4WD
Gli ingressi del sistema sono la coppie posteriore ed anteriore e la velocità angolare. Il loro
prodotto è la potenza istantanea che integrata nel tempo fornisce l’energia cercata. Si nota,
nello schema, che la coppia in ingresso viene saturata prima di essere moltiplicata per la velocità
angolare. Il motivo sta nel fatto, che il motore è in grado di applicare, al più, la coppia massima
di picco, l’eccesso viene fornito dai freni meccanici. Nello schema è presente un ulteriore
saturatore che limita la potenza massima a 80kW. Tale limite non è dovuto al regolamento.
Infatti, esso non limita la potenza in ingresso alla batteria ma solo quella in uscita. Tutti i
15

Dimensionamento e scelta del PowerTrain elettrico

Capitolo 1

componenti elettrici del sistema sono però dimensionati per tale potenza e quindi, con una
potenza in ingresso superiore, sarebbero sovraccaricati.
In Figura 1-10 è riportato lo schema per il sistema 2WD. Ai fini della simulazione sono stati
utilizzati i dati di targa dei motori Magneti Marelli (cfr. paragrafo 1.2.1).

Figura 1-10–Schema Simulink energia recuperata 2WD
La presenza dei saturatori è giustificata per le stesse motivazioni viste per il sistema 4WD. La
differenza più importante rispetto al caso precedente sta nel fatto che è solo l’asse posteriore a
partecipare la recupero energetico, essendo l’unico a cui sono collegati i motori elettrici. È facile
intuire che l’energia recuperata sarà inferiore.
I risultati della simulazione sono riportati in Figura 1-11. È mostrata la percentuale di energia
recuperata dai due sistemi in rapporto a quella recuperabile da un sistema ideale in grado di
sfruttare tutta la coppia frenante e senza limiti di potenza.
1.2
Energia recuparbile 4WD /
Energia recuperabile

1

Energia recuparbile 2WD /
Energia recuperabile

0.8

0.6

0.4

0.2

0
0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

decelerazione [m/s^2]

Figura 1-11 - percentuale energia recuperate vs decelerazione
Naturalmente non tutta l’energia viene effettivamente rimmagazzinato in batteria. Bisogna
considera i rendimenti di trasmissione, motore, inverter e di carica delle celle. In Figura 1-12
vengono riportati i risultati tenuti in considerazione i rendimenti.

16

Dimensionamento e scelta del PowerTrain elettrico

Capitolo 1

0.7
Energia recuparbile 4WD con rendimenti /
Energia recuperabile
Energia recuparbile 2WD con rendimenti /
Energia recuperabile

0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0

decelerazione [m/s^2]

Figura 1-12 – percentuale energia recuperate con rendimenti vs decelerazione
Si nota che per piccole decelerazioni e quindi basse coppie frenanti, il sistema 4WD frenando
solamente tramite i motori elettrici permette di recuperare una grande quantità di energia. Per
decelerazione più accentuate, il divario tra le due percentuali si riduce notevolmente. Sono
indubbie le migliori prestazioni del 4WD. È opportuno precisare, però, che in una competizione
automobilistica si tende sempre a frenare intensamente in ingresso di curva, mai si effettuano
piccoli rallentamenti.
La supremazia del sistema a quattro ruote motrici è quindi indubbia rispetto al sistema 2WD,
restano quindi da analizzare le soluzioni disponibili in commercio.

17

Dimensionamento e scelta del PowerTrain elettrico

Capitolo 1

1.2. Soluzioni commerciali
Identificati i pro e i contro di entrambe le configurazioni si è passato alla valutazione delle
soluzioni commerciali disponibili.

1.2.1. Magneti Marelli
La prima soluzione analizzata è stata il riutilizzo di motori e inverter già adoperati nelle stagioni
precedenti. I primi due prototipi elettrici della squadra corse erano dotati infatti di un pacchetto
di due motori e due inverter prodotti da MAGNETI MARELLI [3]. Tale soluzione avrebbe garantito
una spesa nulla per il powertrain, ottimo incentivo che spinse alla valutazione del suo riutilizzo
per un ulteriore stagione. Le caratteristiche di un singolo motore sono elencate in Tabella 1-1:
Tipologia

Internal Permanent Magnet

Potenza di picco

60kW

Potenza nominale

30kW

Coppia massima (60 sec)

86 Nm

Coppia nominale

44 Nm

Velocità massima

16000 rpm

Temperatura raffreddamento

65° C

Tensione minimo

350V

Tensione massima

420V

Max corrente di picco

180 A

Max efficienza

97%

Peso

25 kg
Tabella 1-1 - Caratteristiche motori MM

Analizzando la tabella precedente e la Figura 1-13 si evince subito che la potenza massima
installata nelle vetture precedenti era di 120kW (60kW per ogni motore), ben al di sopra della
massima potenza utilizzabile in gara. I motori sono sovraccaricabili fino a 40kW per un tempo
superiore ai 60 sec, abbastanza per sfruttare tutta potenza possibile durante la prova di
acceleration.

18

Dimensionamento e scelta del PowerTrain elettrico

Capitolo 1

Figura 1-13 - Curve Potenza/velocita - Coppia/velocità motore MM
In Tabella 1-2 sono elencate le caratteristiche di ogni inverter [4]:
Range tensione in ingresso

Fino a 420VDC

Capacità condensatori intermedi

500uF

Tensione ausiliaria LV

12 V

Efficienza max

95%

Range temperatura

-40 °C  T  +85 °C

Peso

10kg

Protocolli di comunicazione utilizzabili

CAN, LIN

Tabella 1-2 - Caratteristiche inverter MM
Dalla Tabella 1-2 si evince una limitazione alla massima tensione in ingresso agli inverter,
inferiore a quella posta dal regolamento. Come verrà approfondito nei paragrafi successivi,
innalzare la tensione del pacco batterie garantisce una riduzione della corrente nominale sui cavi
e quindi una riduzione di sezione e peso degli stessi. Avendo posto il target di peso totale della
vettura senza pilota a 220kg, una riduzione del peso del powertrain è stata necessaria. Un perso
di 70kg tra motori ed inverter risulta quindi eccessivo. La tensione ausiliaria di alimentazione di
12V risulta invece un aspetto positivo per un applicazione automotive essendo facilmente
applicabile con una batteria LV (cfr capitolo 4).

19

Dimensionamento e scelta del PowerTrain elettrico

Capitolo 1

L’eccessivo peso e il sovradimensionamento in potenza hanno portato alla necessità di
abbandonare tali motori e inverter a beneficio di un powertrain ben dimensionato ai fini delle
gare previste.
PRO

CONTRO

Costo 0€

Peso totale 70kg

Tensione ausiliaria 12V

Potenza massima 120kW

Tabella 1-3 – PRO/CONTRO Magneti Marelli

1.2.2. Compact Dynamics
La soluzione commerciale adatta per la realizzazione di una vettura 2WD è rappresentato dal
pacchetto proposto dalla Compact Dynamics. Il pacchetto prevede due motori DYNAX 500e e
due inverter DYNACONTROL 500e [5]. In Figura 1-14 è mostrata la curva di coppia del singolo
motore:

Figura 1-14 – Coppia – velocità motore Compact Dynamics

20

Dimensionamento e scelta del PowerTrain elettrico

Capitolo 1

Le caratteristiche dei motori sono elencate nella Tabella 1-4:
Tipologia

Trasversal flux

Potenza di picco

42kW

Potenza nominale

20kW

Coppia massima (10 sec)

80Nm

Velocità massima

10000 rpm

Temperatura massima

150°C

Range tensione HV

250VDC – 450VDC

Max corrente di picco

150 A

Max efficienza

90%

Peso

10,2 kg
Tabella 1-4 – Caratteristiche motori Compact Dynamics

Dai dati precedenti si evince che la potenza massima installata, utilizzando questo pacchetto,
sarebbe di 84kW, poco più grande del limite di regolamento. La potenza massima è sfruttabile
per 10 secondi consecutivi e quindi per tutta la durate dell’acceleration. Analizzando anche i
dati della Tabella 1-5 si evince che il peso totale del powertrain in oggetto è di circa 30kg, meno
della metà del peso della soluzione MM (cfr 1.2.1).
Range tensione in ingresso

Fino a 450VDC

Capacità condensatori intermedi

500uF

Tensione ausiliaria LV

9-16 V

Efficienza max

95%

Temperatura max

60°C

Peso

5,6kg

Protocolli di comunicazione utilizzabili

CAN

Tabella 1-5 – Caratteristiche inverter Compact Dynamics
Come nel caso precedente però la tensione massima in ingresso all’inverter è inferiore della
tensione massima ammissibile da regolamento, avendo quindi a parità di potenza maggiori
correnti e quindi maggiore sezione dei conduttori.
Rispetto alla soluzione precedente il powertrain in esame rispecchia meglio quelle che sono le
esigenze di riduzione del peso e dimensionamento ottimale della vettura SCXV. Nella tabella
Tabella 1-6 vengono analizzati pro e contro di tale soluzione:
21

Dimensionamento e scelta del PowerTrain elettrico

Capitolo 1

PRO

CONTRO

Peso totale 31.6 kg

Prezzo 14000€

Potenza massima 84kW
Tensione ausiliaria 12V
Tabella 1-6 – PRO/CONTRO Compact Dynamics

1.2.3. AMK
La soluzione commerciale valutata per la realizzazione di una vettura 4WD è rappresentata dal
pacchetto proposto da AMK [6]. Il pacchetto prevede 4 motori brushless DD5-14-10-POW e un
inverter quadripolare KW26-S5-FSE-4Q. Le caratteristiche dei motori sono elencate nella Tabella
1-7:
Tipologia

PSMS

Potenza di picco

35kW

Potenza nominale

12,3kW

Coppia massima

21 Nm

Coppia nominale

13,8 Nm

Velocità massima

18617 rpm

Max corrente di picco (1,2 sec)

100 A

Corrente nominale

41 A

Peso

3,55 kg
Tabella 1-7 – Caratteristiche motori AMK

Di seguito vengono elencate le caratteristiche di un singolo modulo dell’inverter, utili per un
valutazione comparativa con le soluzioni precedenti:
Range tensione in ingresso

250 VDC – 720 VDC

Capacità condensatori intermedi

75uF

Tensione ausiliaria LV

24 V ± 15%

Efficienza max

98%

Temperatura cold plate

40°C

Peso (4 inverter)

11kg

Protocolli di comunicazione utilizzabili

CAN, Ethernet

Tabella 1-8 – Caratteristiche inverter AMK
Riportiamo anche in Figura 1-15 le curve di coppia e Potenza del singolo motore in funzione della
velocità.
22

Dimensionamento e scelta del PowerTrain elettrico

Capitolo 1

Figura 1-15 - Curve Potenza/velocita - Coppia/velocità motore AMK

Il primo dato utile da analizzare è la possibilità di alimentare l’inverter con una tensione sino a
720V. A differenza degli altri casi il limite massimo di tensione del pacco batterie sarebbe di
600V, limite posto dal regolamento. La scelta della tensione massima del pacco verrà
approfondita nel capitolo 3. Abbiamo però già accennato alla possibilità di ridurre la sezione dei
conduttori, riducendo la corrente nominale a parità di potenza e quindi il peso del cablaggio DC
tra pacco batterie e inverter. La riduzione di peso della vettura è garantita anche da un peso
totale del powertrain, motori più inverter, di soli 25,2 kg, il minimo tra le soluzioni analizzate. La
potenza massima installata con questa soluzione è di 140kW, valore superiore alla potenza
massima di regolamento, che non ha nessuna ricaduta sulla scelte di progetto dato il basso peso
del powertrain. La densità di potenza della soluzione in esame risulta quindi la migliore tra le
soluzioni analizzate. La massima potenza è sfruttabile per soli 1,2 sec, tempo inferiore alla durata
dell’acceleration. Bisogna comunque considerare che la potenza sfruttabile in gara è ben al di
sotto della potenza massima dei motori e come spiegato in seguito, i motori permetto il massimo
sfruttamento della potenza durante tutto l’acceleration. Dalla Tabella 1-8 si evince inoltre, che
la tensione ausiliaria necessaria all’alimentazione dei componenti a bassa potenza dell’inverter
è di 24V, aspetto che complica la progettazione della batteria LV, come spiegato nel capitolo 4
Nella Tabella 1-9 sono elencati gli aspetti positivi e negativi delle due soluzioni.
PRO

CONTRO

Peso totale 25,2 kg

Prezzo 12000€

4WD

Tensione ausiliaria 24V

Tensione max 720VDC
Tabella 1-9 – PRO/CONTRO AMK
23

Dimensionamento e scelta del PowerTrain elettrico

Capitolo 1

1.3. Scelta effettuata
Dalle analisi precedenti si evince che il powertrain Magneti Marelli risulta assolutamente
obsoleto e non competitivo. Il suo riutilizzo sarebbe giustificato solo dal risparmio economico
derivante dal non acquisto di una soluzione più moderna. Il pacchetto proposto da Compact
Dynamics risulta più caro di 2000€ rispetto la soluzione AMK. Quest’ultima però garantirebbe la
possibilità di realizzare una vettura 4WD, portando con se tutti i vantaggi discussi in precedenza.
Inoltre, a differenza della soluzione Compact Dynamics, i motori e gli inverter AMK sarebbero
riutilizzabili e ancora competitivi anche per qualche stagione successiva. Il costo può quindi
essere visto come un investimento ammortizzabile su più annualità, cosa che permette di
giustificarne facilmente l’acquisto. Un ulteriore aspetto molto importante è la riduzione di peso
che l’utilizzo del pacchetto AMK comporta. Il target di peso per la vettura SCXV è stato fissato in
220kg, a fronte di un peso della vettura precedente, SCR, di 310kg. La volontà di ridurre il peso
del nuovo prototipo di 90kg, circa un terzo della vettura precedente, ha comportato di rivalutare
tutti i componenti in vettura. Il peso del pacchetto AMK è di soli 25,2kg ovvero un risparmio
rispetto al pacchetto Magneti Marelli di 44,8kg, ed un risparmio rispetto al pacchetto Compact
Dynamics di 6,4kg. Risparmio di peso rispetto alla vettura SCR che permette di coprire circa la
metà di quello voluto su tutta la vettura.
I tre aspetti finora analizzati, Il costo, la riduzione di peso considerevole e i vantaggi del 4WD,
giustificano da soli la scelta di acquistare il pacchetto AMK. Gli aspetti che verranno analizzati in
seguito sono quindi da intendersi come conseguenze sia positive che negative della scelta fatta,
in quanto non comportano una rivalutazione della stessa.
Il range di tensione in ingresso molto elevato dell’inverter scelto, permette di progettare un
pacco batterie da 600V massimi e quindi di ridurre la corrente, a parità di potenza, rispetto al
pacco della SCR di 400V massimi. Tutto questo garantisce una riduzione della sezione del
conduttore del DC bus, quantificabile in peso e costo dello stesso. La tensione di alimentazione
dei componenti ausiliari dell’inverter, 24 V stabilizzati, comporta invece delle problematiche che
verranno analizzate nel capitolo 4.

24

Architettura di sistema

Capitolo 2

2 Architettura di sistema
L’architettura di una vettura elettrica è suddivisibile in due sottosistemi: powertrain elettrico e
architettura elettronica. Nella vettura SCXV questi sono totalmente separati, sia per quanto
riguarda l’alimentazione, sia per quanto riguarda i segnali, ad eccezione di un’unica linea CAN
utilizzata come ponte di comunicazione tra i due sottosistemi.

Figura 2-1 – Architettura elettrica del veicolo

In Figura 2-1 si nota la netta separazione dei due gruppi. La centralina VMU, Vehicle
Management Unit, svolge la funzione di collegamento tra i due sottosistemi.
Per la comunicazione di tutte le centraline è stato adottato lo standard automotive CAN-bus.
Tale scelta è stata basata sulla facile reperibilità di materiale, essendo uno standard molto
diffuso in ambito automotive, e dalla elevata diffusione di microcontrollori dotati di moduli
ECAN integrati. La vettura SCXV è dotata di due linee CAN, CAN_LV e CAN_HV, fisicamente
separate per garantire la massima priorità alla comunicazione con gli inverter e al fine di non
perdere il controllo degli stessi. Come già spiegato, data la notevole complessità delle
innovazioni apportate sulla vettura SCXV rispetto alla precedente, la massima affidabilità è stato
il punto cardine su cui si è basata tutta la progettazione. Per tale motivo la sensoristica principale
(encoder pedali, sterzo e etc.) è stata direttamente collegata alla VMU. In tal modo, anche nel
caso in cui la comunicazione sulla linea CAN_LV si interrompesse, la marcia della vettura non ne
sarebbe influenzata, se non per l’impostazione automatica di una strategia di default
25

Architettura di sistema

Capitolo 2

programmata per i casi di fail del sistema. Per il corretto funzionamento della vettura è però
necessario che in caso di malfunzionamento della linea CAN_LV anche altre centraline
continuino a svolgere la loro funzione: la gestione del raffreddamento, ad esempio, essendo
molto importante per garantire il corretto funzionamento di tutti i sistemi in alta potenza. Su di
essa è stata prevista una strategia di default in grado di intervenire in caso di mancata
comunicazione con gli elementi esterni; nel caso in cui la centralina elettronica non riesca più a
comunicare con uno o più sensori di temperatura la massima potenza di raffreddamento viene
garantita dalla logica di default.
Altri protocolli di comunicazione sono stati adottati per trasmissioni di informazioni tra alcune
delle centraline presenti in vettura. È stata infatti impostata una comunicazione wireless tra la
centralina di gestione del DASH e del volante. Tale protocollo permette di eliminare il cablaggio
all’interno del piantone dello sterzo e del connettore di collegamento del volante, molto delicato
e costoso. Anche la comunicazione delle telemetria avviene in WIFI attraverso l’utilizzo di due
moduli Xbee.
Come già evidenziato, la comunicazione tra VMU e Inverter avviene attraverso la linea CAN ad
alta velocità CAN_HV con un Baud-rate di 1Mbit/sec. La scelta di una linea ad elevata velocità è
stata necessaria per garantire il perfetto controllo degli inverter che richiedono un messaggio di
coppia e velocità target in un intervallo di tempo non superiore ai 50ms. Per la diagnostica degli
inverter è invece utilizzata una linea ethernet separata, non connessa in normale funzionamento
della vettura. Tale linea permette il facile collegamento al PC e al software di diagnostica della
casa produttrice.

Figura 2-2 – Schema powertrain elettrico
26

Architettura di sistema

Capitolo 2

In Figura 2-2 è mostrato lo schema di collegamento di potenza tra batteria HV, inverter e motori.
Il blocco inverter contiene tutti e 4 i moduli. Questo permette di collegare il bus HV direttamente
dal pacco batterie all’inverter. I 4 inverter, opportunamente numerati, hanno in output i cavi
trifase di potenza e i cavi di segnale per la comunicazione con l’encoder e il sensore di
temperatura del motore (cfr. Figura 2-3).

Figura 2-3 – Powertrain elettrico (motori in rosso, inverter in verde)

27

Architettura di sistema

Capitolo 2

28

Pacco batterie HV

Capitolo 3

3 Pacco Batterie HV
Uno dei componenti più importanti in una vettura elettrica è il pacco batterie. Esso sta
rappresentando negli ultimi anni il limite commerciale per una diffusione globale di vetture
elettriche stradali. I motivi di tale complessità sono molteplici: sicurezza, vita utile, tempo di
ricarica, densità di energia e etc. Una ricerca del The Boston Consulting Group evidenzia come il
ciclo di vita di un pacco batterie si composto da 7 steps:

Figura 3-1 – BCG Value chain for Electric-Car Batteries
I primi due steps, scelta dei materiali e produzione delle celle, sono ad oggi affidati a diverse
tipologie di produttori, dai più grandi colossi del settore a piccoli centri di ricerca. I successivi 4
steps sono invece la base del lavoro di tante società, giovani e non, che si stanno contendo il
mercato nella progettazione dei powertrain elettrici. È in questo settore che si colloca anche il
progetto della SquadraCorse dal punto di vista elettrico.
Se pur negli ultimi anni l’affidabilità e la sicurezza delle celle usate nei nuovi pacchi batterie è
cresciuta notevolmente, l’opinione pubblica è ancora restia nel considerarle tali. I problemi di
sicurezza sono naturalmente molto importanti, ed è questo il motivo per cui il regolamento della
Formula SAE è molto stringente in questo ambito. Tutte le tipologie di celle usate per la
realizzazione di pacchi batterie presentano delle condizioni di funzionamento al di fuori delle
quali non devono trovarsi a funzionare poiché pericoloso; range di temperatura o tensione
ammissibile. Per vita utile, o cicli di vita delle celle, si intende quanti cicli di carica e scarica una
cella può subire prima di ridurre la sua capacità del 20% della capacità originale. Tale aspetto è
molto importante per una vettura stradale da cui si ci aspetta decenni di utilizzo, meno
importante per una vettura da corsa progettata per l’utilizzo in un'unica stagione e quindi per
29

Pacco batterie HV

Capitolo 3

limitati cicli di carica e scarica. Un ulteriore ostacolo al commercio diffuso delle vetture elettriche
è sicuramente il tempo di ricarica. Il più conosciuto produttore di vetture elettriche al mondo
dichiara 27km di autonomia con una ricarica di 30 minuti ad una potenza di 11kW, ben al di sotto
dell’autonomia di una vettura a motore a scoppio dopo 5 minuti di rifornimento. Anche
quest’ultimo non rappresenta però un ostacolo per una vettura da competizione. Di sicuro la
caratteristica più limitante è la bassa densità di energia per unità di peso che le celle allo stato
dell’arte attuale posseggono. Il solo peso del pacco batterie rappresenta più del 25% del peso
totale della vettura SCXV.

Figura 3-2 – Particolare pacco batterie SCXV
In questo capitolo sarà descritta la progettazione elettrica del pacco batterie della vettura SCXV.
Verrà analizzato il regolamento e identificati i limiti progettuali da esso imposti. Con l’ausilio dei
dati di telemetria delle vetture precedenti sarà dimensionata la capacità elettrica del pacco.
Dopo aver analizzato le celle in commercio e testate le più adatte sarà scelta l’architettura del
pacco batterie e dimensionate tutte le caratteristiche elettriche. In fine si sceglieranno i
componenti ausiliari utili all’integrazione dell’assieme in oggetto sul veicolo.

3.1. Regolamento Formula SAE 2015
Tutte le scelte fatte durante la fase di progettazione di un veicolo da corsa sono fortemente
influenzate dal regolamento della competizione a cui si intende partecipare [1]. Il regolamento
della Formula SAE 2015 detta dei limiti ben precisi che bisogna rispettare al fine di partecipare
a tutti gli eventi della stessa competizione. Prima di ogni evento, infatti, viene effettuata una
30

Pacco batterie HV

Capitolo 3

verifica tecnica, passata la quale è possibile partecipare alla manifestazione. A causa della
grande pericolosità del pacco batterie, in alcuni eventi è obbligatorio partecipare a una preverifica in cui è solo il pacco stesso ad essere esaminato. Per poter comprendere a pieno le scelte
progettuali effettuate e quindi necessario avere ben chiaro il regolamento che viene di seguito
brevemente riassunto.
La tensione massima permessa tra qualsiasi due punti della vettura deve essere inferiore ad un
valore che varia tra le competizioni, così come mostrato in Tabella 3-1.
Competizione

Tensione massima

Formula SAE Brazil

300 VDC

Formula SAE Electric (USA)

300 VDC

Formula SAE Australasia

600 VDC

Formula SAE Italy

600 VDC

Formula SAE Germany

600 VDC

Formula Student (UK)

600 VDC

Formula Student Japan

600 VDC

Tabella 3-1 – Tensioni massime competizioni Formula SAE
La vettura SCXV è progettata per partecipare ai soli eventi Europei, il limite massimo di tensione
è quindi di 600 VDC. La potenza massima erogabile dalla batterie è invece di 80kW. In tutte le
vetture elettriche i servizi ausiliari non vengono alimentati alla tensione della batteria HV ma
attraverso o un batteria Low Voltage o un DC/DC. Il regolamento definisce alta tensione (tractive
system) una differenza di potenziale superiore a 60 VDC o 25V AC RMS. L’isolamento tra i due
sistemi a differente tensione deve essere rispettato in ogni punto. Per garantire ciò è stato
necessario l’utilizzo di DC/DC isolati, optoisolatori e relè per alcune funzioni secondarie. Non
tutte le tipologie di accumulatori sono ammessi: reattori a sali fusi, batterie termiche o fuel cells
non sono ad esempio ammessi. Inoltre non è ammesso l’utilizzo di celle con chimica LiFePO4.
Per rispetto del regolamento il pacco batterie non deve essere realizzato in blocco unico. Deve
essere possibile, infatti, la separazione dello stesso in più segmenti di capacità non superiore a
6MJ e tensione non superiore a 120VDC. Ogni segmento deve essere facilmente isolabile dal
resto del pacco tramite dei maintenance plugs, rimovibili senza l’ausilio di alcuno strumento. I
segmenti devono poi essere inseriti all’interno del pacco e separati tramite materiale isolante,
ad eccezione dei contatti elettrici. Qualsiasi parte metallica non facente strettamente parte del
sistema HV deve essere collegata alla massa della vettura con una resistenza inferiore a quella
dichiarata dal regolamento. L’insieme di più segmenti viene chiamato accumulatore, ognuno di
31

Pacco batterie HV

Capitolo 3

essi deve essere dotato di due relè normalmente aperti in grado di aprirne entrambi i poli.
L’accumulatore deve anche presentare un fusibile con portata inferiore alla corrente nominale
del cavo ad esso collegato. Dal punto di vista meccanico le regole sono molto stringenti, in
termini di resistenza dei materiali e precisione di assemblaggio.
Come discusso in precedenza le celle presentano dei range di tensione e temperatura al di fuori
dei quali non devono lavorare, essendo una condizione di pericolo. È necessario quindi
monitorare sia la tensione che la temperatura delle celle in modo da garantire un funzionamento
in sicurezza delle stesse. Il regolamento prevede l’utilizzo di un AMS (Accumulator Monitoring
System) in grado di misurare costantemente la tensione di tutte le celle e almeno il 30% delle
temperature. Ad ogni accensione l’AMS deve effettuare un controllo del sistema, soddisfatto il
quale, è possibile attivare il tractive system. La temperatura delle celle è limitata alla minima tra
la temperatura massima dichiarata sul datasheet e 60° C (limite di regolamento). Le tensioni di
tutte le celle sono naturalmente monitorate tramite una scheda elettronica alimentate in LOW
Voltage, deve essere però previsto un isolamento galvanico tra LV ed HV. Inoltre, tutti i cavi di
collegamento per la misura delle tensioni devono essere fusibilati. Non è permessa nessuna
saldatura sui poli delle celle.
Per evitare fenomeni di sovracorrente alla chiusura del pacco batterie sugli inverter, è necessario
prevedere un circuito di precharge. È opportuno dimensionare tale circuito in modo tale che la
chiusura dei poli del pacco batterie sull’inverter avvenga solamente quando la tensione
applicata a quest’ultimo superi il 90% della tensione del pacco. Un circuito di discharge è invece
necessario per scaricare gli inverter quando non più alimentati. La tensione deve scendere al di
sotto dei 60V entro 5 secondi ed arrivare praticamente a 0V entro 15 secondi.
Quando il sistema in alta tensione è attivo più sistemi di segnalazione devono essere avviati, al
fine di indicare presenza di tensioni pericolose per l’uomo. Il contenitore del pacco è dotato di
un LED, direttamente alimentato dal pacco stesso, che segnala la chiusura di entrambi i poli. Una
luce rossa intermittente posizionata nel punto più alto della vettura (TSAL) viene attivata
all’accensione della vettura. Più led posizionati sul cockpit segnalano al pilota possibili problemi
della vettura: AMS non funzionante, problemi di isolamento e fault generico; ognuno di questi
segnali prevede una procedura di risoluzione e di messa in sicurezza del pilota.

32

Pacco batterie HV

Capitolo 3

3.2. Dimensionamento energetico
Al fine di dimensionare un pacco batterie per uso automotive è necessario identificare le
prestazioni volute per la vettura e le caratteristiche della stessa. Una vettura di formula SAE
viene progettata per più tipologie di prove ed è quindi necessario ricercare l’architettura
migliore, che permetta di massimizzare il risultato finale dell’evento. La prova di acceleration
richiede poca capacità e un basso peso della batteria, per contro la prova di endurance richiede
maggiore capacità e quindi un peso più elevato. Il primo problema del dimensionamento del
pacco batterie è stata la scelta della capacità dello stesso. A partire dal profilo di carico dei
motori (Figura 3-3), la cui realizzazione verrà spiegata nel paragrafo 3.2.1, è stata ricavata la
quantità di energia necessaria a completare l’endurance, con e senza frenata rigenerativa.

Figura 3-3 Lap’s Power Profile vs time, giro simulato Varano con motori SCXV
Integrando la potenza elettrica sul DC bus per tutta la durata dell’endurance si ottiene l’energia
utilizzata. In Tabella 3-2 sono riportati i risultati della simulazione, espressi in Wh:
Energia utilizzata

Energia rigenerata

Capacità necessaria

5372 Wh

888 Wh

4484 Wh

Tabella 3-2 – Risultati simulazione capacità in batteria
Analizziamo la percentuale di energia recuperata rispetto alla totale energia utilizzata:
%𝐸𝑟𝑖𝑔 =

𝐸𝑟𝑖𝑔
888
=
= 16,5%
𝐸𝑢𝑡𝑖𝑙 5372

Valore che scende a poco più del 5% per vettura 2WD, condizione dovuta alla differente
ripartizione di frenata tra posteriore ed anteriore. Essa comporta una maggiore potenza
frenante all’anteriore, totalmente fornita dall’impianto meccanico per una vettura 2WD.
Rispetto al valore ottenuto dalla simulazione nel paragrafo 1.1 (Figura 1-12) si evince una netta
differenza dalla percentuale di energia recuperata calcolata tramite simulazione, 30%, e tramite
analisi di dati di telemetria sperimentali, 16.5%. Si ricorda che il valore di 30% è stato ottenuto
per una diminuzione della velocità da 100km/h a 0km/h con una decelerazione al limite
33

Pacco batterie HV

Capitolo 3

dell’aderenza degli pneumatici, nessun limite di decelerazione è invece applicabile in pista.
Inoltre, il valore di 30% è ottenuto considerando che tutta la decelerazione sia l’effetto di coppia
applicata alla ruota dal motore con l’aggiunta di coppia frenante fornita dall’impianto
meccanico. La decelerazione in pista è invece influenzata anche dal carico aerodinamico, in parte
quindi, l’energia disponibile viene dissipata dall’attrito con l’aria. I risultati delle simulazioni
precedenti rimangono comunque validi per dimostrare la netta superiorità di un sistema 4WD
su un sistema 2WD, in termini di recupero energetico. Il valore di 16,5% è però un valore più
preciso su cui fondare gli ulteriori ragionamenti.
Dalla Tabella 3-2 si desume che la capacità necessaria per la prova di endurance è di 4,48 kWh,
con un opportuno coefficiente di sicurezza è possibile determinare la capacità di
dimensionamento del pacco batterie. Però, uno degli obbiettivi ricercati nella progettazione
della vettura SCXV è stata l’affidabilità del sistema. Per la scelta della capacità è stata quindi fatta
l’ipotesi di non considerare nessuna strategia di frenata rigenerativa. La vettura doveva quindi
essere in grado di terminare l’endurance senza recupero energetico, quindi dotata di un pacco
batterie con energia uguale a tutta quella consumata durante la prova. La capacità di riferimento
è quindi 5,37 kWh, tutta l’energia eventualmente recuperata serve solo a migliorare le
prestazione su pista. Quest’ultimo valore però è stato ricavato considerando costante durante
tutto l’endurance l’efficienza del sistema. L’efficienza è invece un valore dinamico che varia in
funzione di: tensione batteria, capacità batteria, velocità, accelerazione, temperatura, potenza
richiesta etc. Risulta necessario utilizzare un coefficiente di sicurezza per il calcolo della capacità
reale di dimensionamento, tutta l’energia in più è comunque sfruttabile per il miglioramento dei
tempi su giro. Il valore finale di dimensionamento del pacco sarà anche influenzato dalle
soluzioni commerciali delle celle disponibile nel mercato.
Il valore di energia di dimensionamento scelto è di:
𝐸𝑑𝑖𝑚 = 6660 𝑊ℎ

34

Pacco batterie HV

Capitolo 3

3.2.1. Modello profilo di carico dei motori
Per il dimensionamento energetico del pacco batterie è stato necessario ricavare il profilo di
potenza durante la prova di endurance, essendo questa la prova più significante in termini di
consumi. Per ottenerlo è stato necessario ricavare il profilo di carico dei motori. È stato possibile
ricavare questo profilo dai dati di telemetria della prova di endurance della vettura sc12e,
svoltasi durante la gara di Varano de Melegari. In Figura 3-4 è mostrato il valore del TPS (Torque
Pedal Signal) in funzione del tempo per tutta la durata della gara:

Figura 3-4 – TPS vs time, telemetria endurance Varano sc12e
Per mostrare meglio i risultati ottenuti, si farà riferimento ad un singolo giro. In Figura 3-5 è
quindi riportato il valore del TPS in funzione del tempo per un singolo giro:

Figura 3-5 – TPS vs time, telemetria giro endurance Varano sc12e
Per ottenere l’andamento di coppia alla ruota è stato simulato l’algoritmo reale successivamente
utilizzato in vettura. Esso calcola la massima coppia applicabile alla ruota in funzione del valore
del TPS (Figura 3-5), che deve però essere limitata in funzione della potenza massima erogabile
dal pacco (limitata dal regolamento). In Figura 3-6 si nota l’andamento di coppia alla ruota
richiesta dal pilota durante un giro. Il valore massimo di coppia scaricabile a terra è di 336 Nm,
calcolato da simulazioni di dinamica del veicolo. Per passare dal valore del TPS espresso in
percentuale, alla coppia a terra, viene utilizzata la seguente formula:

35

Pacco batterie HV

Capitolo 3

𝐶𝑚𝑒𝑐 (𝑡) =

𝑇𝑃𝑆
∙𝐶
100 𝑚𝑎𝑥

(1)

𝐶𝑚𝑎𝑥 = 336𝑁𝑚: Coppia massima scaricabile a terra.

Figura 3-6 – Coppia alla ruota vs time, giro simulato Varano con motori SCXV
Per i calcoli successivi supporremo di controllare allo stesso modo i 4 motori, ovvero
supponiamo assenza di traction control, differenziale e ripartizione anteriore/posteriore a
50/50. A partire dall’andamento di coppia in Figura 3-6 e di velocità della ruota di Figura 3-7 è
stato possibile ricavare la potenza elettrica sul DC bus (Figura 3-8), applicando la formula
seguente:

𝑝𝑒𝑙𝑒𝑡 (𝑡) =

4 ∙ 𝐶𝑚𝑒𝑐 (𝑡) ∙ 𝜔(𝑡) 4 ∙ 𝐶𝑚𝑒𝑐 (𝑡) ∙ 𝜔(𝑡)
=
𝜂𝑡 ∙ 𝜂𝑚 ∙ 𝜂𝑖
0.86 ∙ 0.96 ∙ 0.98

(1)

𝐶𝑚𝑒𝑐 (𝑡): Coppia alla ruota;
𝜂𝑡 , 𝜂𝑚 , 𝜂𝑖 : rendimenti trasmissione, motore, inverter SCXV;
ω(t): [rad/s] Velocità ruota.

Figura 3-7 – Velocità ruota vs time, telemetria giro endurance Varano sc12e

36

Pacco batterie HV

Capitolo 3

Figura 3-8 – Potenza sul DC bus vs time, giro simulato Varano con motori SCXV
Dalla Figura 3-8 si evince che la potenza istantanea durante il giro non supera mai il valore
massimo del regolamento. L’andamento in Figura 3-6 risulta quindi il profilo di carico cercato.
Tale profilo non è però completo, bisogna considera la presenza di frenata rigenerativa. La
vettura sc12e non aveva una strategia di recupero energetico in frenata, per cui le coppie
richieste ai motori sono solo positive, essendo la coppia frenante esercitata esclusivamente
dall’impianto idraulico. Per poter ricavare il profilo di coppia frenante rigenerativa è stata
simulata la strategia di frenata a partire dai dati forniti dalla telemetria di interazione del pilota
con il pedale del freno. In Figura 3-9 è riportato il valore della pressione dell’impianto frenante
posteriore in funzione del tempo per il singolo giro:

Figura 3-9 – Rear brake pressure vs time, telemetria giro endurance Varano sc12e
Da questi dati bisogna ricavare l’effettiva coppia frenante (𝐶𝑡𝑜𝑡 ) scaricata a terra. La formula che
permette di ricavare la coppia frenante espressa in Nm a partire dalla pressione dell’impianto in
bar è la seguente:

𝐶𝑡𝑜𝑡 (𝑡) = (𝑝𝑟 (𝑡) − 𝑜𝑓𝑓𝑠𝑒𝑡) ∙ 𝑘 = (𝑝𝑟 (𝑡) − 1,5) ∙ 23.866
𝑝𝑟 (𝑡): andamento pressione impianto frenante Figura 3-9;
offset = 1,5 :come si evince da Figura 3-9;
k: rapporto Coppia frenante su ruota/pressione pinze freno, calcolato [Nm/bar].

(2)

Applicando la formula (2) si ottiene il grafico di Figura 3-10 che mostra l’andamento di coppia
frenante alla ruota in funzione del tempo su un singolo giro:
37

Commentato [DC1]: Non mi piace il termine

Pacco batterie HV

Capitolo 3

Figura 3-10 – Rear Brake Torque vs time, calcolata da telemetria giro endurance Varano sc12e
Una strategia di frenata rigenerativa è tanto più efficace quanta più energia viene recuperata in
batteria. Bisogna quindi ridurre il più possibile il contributo dell’impianto idraulico a favore della
coppia frenante fornita dai motori, in accordo con le potenzialità dei motori scelti. Il massimo
valore di coppia frenante che i motori possono fornire istante per istante è però limitato dalla
tensione di batteria e della velocità della macchina, dovendo limitare la potenza massima a
quella limite da regolamento. In realtà tale limite è applicato solo sulla potenza uscente dal
pacco batterie e non su quella entrante. Si vedrà però che il dimensionamento di tutti i
componenti del DC bus comporterà di limitare la potenza anche in ingresso al pacco. La potenza
frenante istantanea è calcolata con la formula seguente:

𝑝𝑚𝑒𝑐 (𝑡) = 𝑐𝑡𝑜𝑡 (𝑡) ∙ 𝜔(𝑡)

(2)

𝜔(𝑡): [rad/s] Velocità ruota (Figura 3-7).

Interessa però la potenza elettrica sul DC bus, considerando la presenza di 4 generatori risulta:

𝑝𝑒𝑙𝑒𝑡 (𝑡) = 4 ∙ 𝑝𝑚𝑒𝑐 (𝑡) ∙ 𝜂𝑡 ∙ 𝜂𝑚 ∙ 𝜂𝑖

(3)

Figura 3-11 – Brake Power vs time, calcolata da telemetria giro endurance Varano sc12e
Tale valore non supera mai gli 80kW quindi la coppia frenante alla ruota sarà quella di Figura
3-10. Si può quindi ottenere il profilo di carico totale, sommando il grafico in Figura 3-6 – Coppia
alla ruota vs time, giro simulato Varano con motori SCXV e in Figura 3-10.
38

Pacco batterie HV

Capitolo 3

Figura 3-12 – Lap’s Load profile vs time, giro simulato Varano con motori SCXV
Riportiamo anche l’andamento della potenza sul DC bus:

Figura 3-13 – Lap’s Power Profile vs time, giro simulato Varano con motori SCXV
In fine viene mostrato in Figura 3-14 il confronto tra il profilo di carico ottenuto e quello misurato
durante la gara di Varano 2015 della SCXV. Il confronto viene effettuato sulle coppie
effettivamente erogate dal motore, motivo per il quale il profilo di carico ottenuto viene diviso
per un fattore 16 (rapporto di trasmissione SCXV).

39

Pacco batterie HV

Capitolo 3

Figura 3-14 – Confronto profilo di carico simulato da telemetria Varano sc12e e profilo reale
telemetria Varano SCXV
Essendo la scala di tempi differente, nella Figura 3-14 sono stati evidenziati i settori di ogni giro.
Si nota immediatamente che entrambi i profili non presentano coppie negative, infatti per un
problema all’elettronica del volante non è stato possibile utilizzare la frenata rigenerativa
durante l’evento di Varano 2015. Si nota che il profilo reale presenta dei picchi di coppia
superiori rispetto a quelli simulati. Questa discrepanza è assolutamente giustificabile dal aver
considerato un controllo identico sui 4 motori, ovvero supponendo assenza di traction control,
differenziale e ripartizione anteriore/posteriore a 50/50.
Si conclude dicendo che se pur leggermente differente il profilo ottenuto ha permesso di
effettuare calcoli su molti assiemi anche in assenza di uno storico di dati su tali motori e su un
architettura 4WD.

40

Pacco batterie HV

Capitolo 3

3.3. Dimensionamento elettrico
Oltre al dimensionamento della capacità del pacco batterie è necessario, dopo aver definito e
scelto i vari componenti del sistema, sceglierne la tensione di alimentazione. La tensione di un
pacco batterie non è costante ma dipende dal livello di carica (SOC) delle celle. È opportuno
quindi definire sia la tensione nominale che la tensione massima e minima accettate. Il
componente principale che il pacco batterie deve alimentare è l’inverter, sarà quest’ultimo ad
adattare le caratteristiche elettriche ai motori. Analizziamo per tanto le caratteristiche in
ingresso dell’inverter AMK scelto.
Range tensione in ingresso

250 VDC – 720 VDC

Capacità condensatori intermedi

75uF

Tensione ausiliaria LV

24 V ± 15%

Efficienza max

98%

Temperatura cold plate

40°C

Peso (4 inverter)

11kg

Protocolli di comunicazione utilizzabili

CAN, Ethernet

Tabella 3-3 – Caratteristiche inverter AMK
Si nota che il range di tensione accettato in ingresso dagli inverter è molto ampio. Il limite
inferiore, ovvero la minima tensione a batteria quasi scarica, non deve essere inferiore ai
250VDC. La massima tensione ammessa è invece limitata non dall’inverter ma dal regolamento,
600VDC. Si riportano in Figura 3-15 le curve di coppia e potenza del singolo motore in funzione
della velocità.

Figura 3-15 - Curve Potenza/velocita - Coppia/velocità motore AMK
41

Pacco batterie HV

Capitolo 3

In Figura 3-15 sono tracciate: in arancione le curve nominali; in blu le curve in sovraccarico per
due diversi livelli di tensione; con linea continua le curve senza deflussaggio; con linea
tratteggiata le curve in deflussaggio. Come è noto a parità di tensione per aumentare la velocità
del motore è necessario ridurre il flusso complessivo di macchina. Dalla Figura 3-15 si nota infatti
che maggiore è la tensione sul DC bus, maggiore sarà la coppia erogabile a massima velocità. È
necessario quindi aumentare il più possibile la tensione del DC bus per sfruttare a pieno i motori.
La tensione nominale delle celle in commercio è di 3.7V e la tensione massima di 4.2V, avendo
posto a 600VDC la tensione massima otteniamo:

𝑉𝑚𝑎𝑥 600
=
= 142,83 → 144 𝑐𝑒𝑙𝑙𝑒
4,2
4,2

𝑛𝑐𝑒𝑙𝑙𝑒 =

Un numero dispari di celle è poco comodo per la standardizzazione dei segmenti del pacco
batterie, questo è il motivo per cui il numero delle celle viene approssimato al valore pari subito
successivo. Con 144 celle si ottiene un valore di tensione massima del pacco (𝑉𝑝𝑖𝑐𝑐𝑜 ) di:

𝑉𝑝𝑖𝑐𝑐𝑜 = 144 ∙ 4,2 = 604,8𝑉
Valore non ammissibile per regolamento. La tensione di batteria e con essa l’energia accumulata
verrà limitata tramite BMS (Battery Management System). La tensione nominale del pacco
risulta invece:

𝑉𝑛𝑜𝑚 = 144 ∙ 3,7 = 532,8𝑉

Per il dimensionamento di tutti i componenti elettrici è indispensabile calcolare anche la
corrente erogata dalla batteria in tutte le sue condizioni di funzionamento. Partiamo dall’ipotesi
che la potenza massima erogabile dalla batterie è di 80kW, limite posto dal regolamento. Per il
dimensionamento dei cavi di collegamento interni al pacco batterie, il regolamento impone di
utilizzare dei cavi con portata in corrente superiore alla corrente nominale del sistema. A partire
dalla potenza nominale di ogni motore è possibile calcolare il valore della corrente nominale sul
DC bus:

𝐼𝑛𝑜𝑚 =

4 ∙ 𝑃𝑛𝑜𝑚𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟𝑒 4 ∙ 12000
=
≅ 90𝐴
𝑉𝑛𝑜𝑚
532.8

Ovviamente, il sistema elettrico di una vettura da competizione non si trova a funzionare in
condizioni nominali durante tutta la gara. Per il dimensionamento di tutti i componenti è
necessario conoscere anche la corrente massima erogata dal pacco batterie. La condizione
42

Pacco batterie HV

Capitolo 3

peggiore si realizza con richiesta di potenza massima a minima tensione di batteria. Tale
condizione potrebbe però verificarsi solo a fine endurance, quanto la strategia di gara è
sicuramente conservativa ed è impensabile richiedere la massima potenza. La corrente
maggiore si ha invece nel corso della prova di acceleration, durante la quale viene richiesta tutta
la potenza a massima tensione di batteria:

𝐼𝑚𝑎𝑥 =

𝑃𝑚𝑎𝑥 80000
=
≅ 133𝐴
𝑉𝑚𝑎𝑥
600

3.3.1. Pre-charge e discharge
La chiusura dei relè di potenza del pacco batterie sull’inverter può essere schematizzata come
la chiusura di un circuito composto da un generatore di tensione e un condensatore inizialmente
scarico. Il condensatore si comporta da cortocircuito negli istanti iniziali e quindi si ottiene una
corrente di inrush molto elevata. Tale fenomeno è molto pericoloso per i condensatori
dell’inverter i quali potrebbero anche esplodere poiché stressati eccessivamente. È opportuno
quindi prevedere un circuito di precarica che garantisca di limitare la corrente di inrush a valori
accettabili e caricare i condensatori in tempi brevi. Il regolamento impone l’implementazione di
un circuito di pre-charge che carichi i condensatori al 90% della tensione del sistema prima che
entrambi i relè del pacco batterie siano chiusi.

Figura 3-16 – Schema pre-charge
43

Pacco batterie HV

Capitolo 3

La soluzione a tale problema è molto semplice, all’accensione della vettura bisogna realizzare
un circuito RC che permetta di precaricare l’inverter al 90% del tensione di batterie e
successivamente, raggiunta tale condizione, bypassare la resistenza di precarica. Tale circuito è
gestito dal AMS (Accumulator Management System). In Figura 3-16 è riportato lo schema.
All’accensione del sistema HV, l’AMS chiude uno dei relè di potenza del pacco e tramite un
optoisolatore comanda la chiusura di un mosfet così che la corrente erogata dal pacco batterie
fluisce sui condensatori dell’inverter tramite la resistenza di pre-charge. Quando la tensione sui
condensatori raggiunge il 90% della tensione del pacco, il secondo relè viene chiuso e quindi
bypassata la resistenza di pre-charge. Il valore della resistenza, essendo già definita la tensione
del sistema (600V), rappresenta un compromesso tra la massima corrente di picco tollerata, la
massima potenza dissipabile e la massima durata della fase di precarica. La capacità di ogni
inverter è di 75uF (cfr Tabella 3-3), quindi la capacità totale è di 0,3mF. Assumendo accettabile
un tempo di precarica di circa 1s, con un processo iterativo è stato scelto un valore di resistenza
di 1k5 Ω. La corrente di inrush risulta quindi limitata a:

𝐼𝑖𝑛𝑟𝑢𝑠ℎ =

𝑉𝑚𝑎𝑥
600
=
= 0,4𝐴
𝑅
1500

La potenza massima dissipata:

𝑃𝑚𝑎𝑥 = 𝐼𝑖𝑛𝑟𝑢𝑠ℎ ∙ 𝑉𝑚𝑎𝑥 = 0.4 ∙ 600 = 240𝑊
In Figura 3-17 è riportato l’andamento della tensione sui condensatori in funzione del tempo,
calcolata con la formula del circuito RC:
𝑡

𝑉𝑜𝑢𝑡 (𝑡) = −𝑉𝑚𝑎𝑥 ∙ 𝑒 −𝜏 + 𝑉𝑚𝑎𝑥
𝜏 = 𝑅 ∙ 𝐶 = 1500 ∙ 0.3 ∙ 10−3 = 0,45𝑠
𝑉𝑜𝑢𝑡 (𝑡): [V] Tensione intermedia DC bus.
600

Vout [V]

500
400
300

200
100
0
0

0.2

0.4

0.6

0.8

time [s]

1

1.2

1.4

1.6

Figura 3-17 – Andamento tensione di pre-charge
44

Pacco batterie HV

Capitolo 3

Figura 3-18 si riporta anche l’andamento della corrente in funzione del tempo:
𝐼(𝑡) =

𝑉𝑚𝑎𝑥 − 𝑡
∙𝑒 𝜏
𝑅

0.45

0.4

Current [A]

0.35
0.3
0.25
0.2
0.15
0.1

0.05
0
0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

time [s]

Figura 3-18 – Andamento corrente di precarica
Il resistore scelto è il HSA50 della Tyco Electronics, esso tollera un sovraccarico in potenza di 25
volte per 1s, non si hanno quindi problemi in termini di potenza dissipata. In Tabella 3-4 sono
riportate alcune caratteristiche.
Nome resistore

HSA50

Valore resistenza

1k5 Ω

Potenza nominale

20W

Overload potenza

500W per 1s

Tensione massima

1250V

Dimensione cavo consigliato

AWG22

Tabella 3-4 – Caratteristiche resistore di pre-charge
La resistenza di pre-charge è posizionata direttamente all’interno del pacco batterie:

Figura 3-19 – Posizione resistenza di precarica
45

Pacco batterie HV

Capitolo 3

Per motivi di sicurezza è necessario garantire che allo spegnimento della vettura nessun
componente rimanga eccitato. Bisogna quindi scaricare i condensatori degli inverter. Il
regolamento impone che la tensione su di essi scenda al di sotto dei 60V in meno di 5s e a 0V in
circa 15s. Così come per il circuito di precarica, il circuito di discharge è rappresentabile come
un circuito RC ma in evoluzione libera. Il valore della resistenza è un compromesso tra la
massima corrente di picco tollerata, la massima potenza dissipabile e la massima durata della
fase di scarica. Imponendo un tempo di scarica di 5s, è stata scelta un resistore da 5k6 Ω.
La massima corrente di scarica risulta:

𝐼𝑚𝑎𝑥𝑠𝑐𝑎𝑟𝑖𝑐𝑎 =

𝑉𝑚𝑎𝑥
600
=
= 0,107𝐴
𝑅
5600

La potenza massima dissipata:

𝑃𝑚𝑎𝑥 = 𝐼𝑚𝑎𝑥𝑠𝑐𝑎𝑟𝑖𝑐𝑎 ∙ 𝑉𝑚𝑎𝑥 = 0.107 ∙ 600 = 64.28𝑊
In è riportato l’andamento della tensione sui condensatori in funzione del tempo, calcolata con
la formula del circuito RC in evoluzione libera:
𝑡

𝑉𝑜𝑢𝑡 (𝑡) = 𝑉𝑚𝑎𝑥 ∙ 𝑒 −𝜏
𝜏 = 𝑅 ∙ 𝐶 = 5600 ∙ 0.3 ∙ 10−3 = 1,68𝑠
700
600

Vout (V)

500
400
300
200
100
0
0

2

4

6

8

10

time [s]

12

14

16

18

20

Figura 3-20 – Andamento tensione di discharge

In Figura 3-21si riporta anche l’andamento della corrente in funzione del tempo:
𝐼(𝑡) =

𝑉𝑚𝑎𝑥 − 𝑡
∙𝑒 𝜏
𝑅
46

Pacco batterie HV

Capitolo 3

0.12
0.1

I(t) [A]

0.08
0.06

0.04
0.02
0
0

2

4

6

8

10

time [s]

12

14

16

18

20

Figura 3-21 – Andamento corrente di discharge
Il resistore scelto è il HSA50 della Tyco Electronics, esso tollera un sovraccarico in potenza di 5
volte per 5s, non si hanno quindi problemi in termini di potenza dissipata. In sono riportate
alcune caratteristiche.
Nome resistore

HSA50

Valore resistenza

5k6 Ω

Potenza nominale

20W

Overload potenza

100W per 5s

Tensione massima

1250V

Dimensione cavo consigliato

AWG22

Tabella 3-5 - Caratteristiche resistore di discharge
La resistenza di discharge è posizionata fuori dal pacco batterie dovendo garantire la scarica
dell’inverter anche nel caso di incidente.

47

Pacco batterie HV

Capitolo 3

3.4. Scelta delle celle
Da quanto spiegato nel paragrafo 3.2 la capacità necessaria per terminare l’endurance è:
𝐸𝑢𝑡𝑖𝑙 = 5372 𝑊ℎ
In questo paragrafo verranno riportate le motivazione della scelta di una capacità di:
𝐸𝑑𝑖𝑚 = 6660 𝑊ℎ
Si riporta, inoltre, la formula con cui si è potuto calcolare il numero di celle da collegare in serie
per ottenere la tensione massima voluta. Si ricorda che la tensione nominale delle celle in
commercio è di 3.7V e la tensione massima di 4.2V.

𝑛𝑐𝑒𝑙𝑙𝑒 =

𝑉𝑚𝑎𝑥 600
=
= 142,83 → 144 𝑐𝑒𝑙𝑙𝑒
4,2
4,2

Calcolato il numero di celle in serie rimane da scegliere la capacità di ogni singola cella e valutare
possibili collegamenti in parallelo.
Si definisce coefficiente di scarica la massima corrente di scarica continuativa espressa come
multiplo della capacità della cella, segue un esempio.
Corrente di
Produttore

Modello

Capacità

scarica

𝐶𝑐𝑒𝑙𝑙𝑎 [Ah]

continuativa
𝐼𝑛𝑜𝑚𝑠𝑐𝑎𝑟𝑖𝑐𝑎 [A]

Melasta

SLP7785186

12,5

Corrente di
carica
continuativa [A]

187,5

25

Peso
[g]

257

Tabella 3-6 – Caratteristiche cella SLP7785186 - Melasta
Il coefficiente di scarica è:
𝐾=

𝐼𝑛𝑜𝑚𝑠𝑐𝑎𝑟𝑖𝑐𝑎 187,5
=
= 15𝐶
𝐶𝑐𝑒𝑙𝑙𝑎
12,5

Analizzando più celle in commercio è emerso che all’aumentare della capacità della cella, a
parità di coefficiente di scarica, si ha una maggiore densità di energia per kg di peso. Cosa che si
ottiene anche al diminuire del coefficiente di scarica. Per minimizzare il peso del pacco batterie
è opportuno quindi scegliere delle celle con il più alto valore di capacità possibile e il più basso
coefficiente di scarica. L’ottimo, dal punto di vista del peso, si ottiene con soli collegamenti serie.
In questo caso la capacità della singola cella dovrà essere:
𝐶𝑐𝑒𝑙𝑙𝑎 =

𝐸𝑢𝑡𝑖𝑙
5372
=
= 10,08𝐴ℎ
𝑛𝑐𝑒𝑙𝑙𝑒 ∙ 𝑉𝑛𝑜𝑚𝑐𝑒𝑙𝑙𝑎 144 ∙ 3,7
48

Pacco batterie HV

Capitolo 3

La capacità delle celle commerciali subito successiva a tale valore è 12,5 Ah. In questo modo si
ha una più grande capacità complessiva di quella necessaria, sfruttabile per il miglioramento
delle prestazione in gara. La capacità complessiva risulta:
𝐸𝑑𝑖𝑚 = 𝐶𝑐𝑒𝑙𝑙𝑎 ∙ 𝑉𝑛𝑜𝑚𝑐𝑒𝑙𝑙𝑎 ∙ 𝑛𝑐𝑒𝑙𝑙𝑒 = 12,5 ∙ 3,7 ∙ 144 = 6660 𝑊ℎ
Il peso non è però l’unico parametro di dimensionamento di un pacco batterie. Le prestazioni
elettro-termiche delle celle peggiorano all’aumentare della loro capacità. Per ridurre la
resistenza serie del pacco batterie e quindi le perdite Joule, ad esempio, è consigliabile il
collegamento di più celle in parallelo. Il pacco batteria della vettura SCR della stagione
precedente con solo celle in serie, aveva mostrato dei problemi meccanici di fissaggio delle celle,
che risolti, avevano garantito un pacco batterie molto affidabile. Il passaggio a collegamenti
paralleli avrebbe comportato un totale stravolgimento del metodo di fissaggio delle celle e di
collegamento al BMS già collaudato. Data la grande difficoltà nel passaggio da 2WD a 4WD del
progetto SCXV si è scelto di non complicare l’assieme pacco batterie ma di risolvere solamente
le problematiche già conosciute, motivo per il quale un topologia puramente serie è stata scelta.
Si riportano in Tabella 3-7 le caratteristiche di alcune delle celle analizzate:
Corrente di


Produttore

Modello

Peso

Capacità

scarica

Topologia

complessivo

C [Ah]

continuativa

necessaria

delle celle

[A]

[kg]

1

Eig

C020B

20

100

144s-1p

60,19

2

Kokham

SLPB60205130H

13

104

144s-1p

46,80

3

Melasta

LP9536128

4

80

144s-3p

41,69

4

Melasta

LP9645135

5,8

145

144s-2p

39,17

5

Melasta

LP1048150

6,3

220,50

144s-2p

46,08

6

Melasta

SLPB7785186

12,5

187,50

144s-1p

37,12

7

Melasta

SLPB7672196

12,5

62,50

144s-1p

34,56

Tabella 3-7 – Confronto celle in commercio
Le prime due celle analizzate corrispondono a quelle utilizzate per la progettazione dei pacchi
batterie rispettivamente della vettura SCR e della vettura sc12e. La altre celle di cui vengono
riportate le caratteristiche sono prodotte da Melasta, noto produttore nell’ambiente della
formula SAE, disponibile alla sponsorizzazione della squadra. Si nota che la cella numero 7
permetterebbe di realizzare il pacco batterie più leggero, con stessa topologia e capacità della
cella numero 6. Infatti, un’altra caratteristica indispensabile da dimensionare per la scelta delle
49



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