Ricarica batterie per il team Rensselaer Formula Hybrid

Applicazione

Il team Rensselaer Formula Hybrid è un gruppo di ingegneria gestito da studenti, operante e sponsorizzato dal Rensselaer Polytechnic Institute. Partecipando ogni anno alla competizione internazionale universitaria Formula Hybrid, RPI Formula Hybrid si propone di progettare, costruire e far gareggiare auto da corsa ibride ad alte prestazioni. Contrariamente a molti dei veicoli ibridi disponibili in commercio sulle strade odierne, il design del nostro veicolo utilizza un motore elettrico ad alta tensione in parallelo con un motore a combustione interna convenzionale per massimizzare le prestazioni dinamiche del veicolo in un ambiente di gara. Sebbene il nostro veicolo ibrido sia simile nell'aspetto a un'auto Formula SAE, richiede una progettazione aggiuntiva estensiva nel sistema di trasmissione, nella batteria e nei sistemi di sicurezza. La sfida di integrare sistemi meccanici, elettrici e informatici complessi è ciò che attrae la maggior parte dei nostri membri nel team. Crediamo che sfide ingegneristiche come questa siano uno dei modi migliori per giovani ingegneri, project manager e specialisti di discipline correlate per prepararsi alla natura interdisciplinare dei progetti reali.

Le iterazioni recenti del nostro veicolo presentano molti elementi in comune. Il veicolo utilizza un telaio in acciaio tubolare in lega 4130 cromoly, progettato e saldato internamente. Strettamente integrato nel telaio è un sistema di sospensioni indipendenti a doppio braccio oscillante. Collegamenti meccanici di bilancieri, tiranti e ammortizzatori ci permettono di controllare con precisione il profilo dell'escursione delle sospensioni. Un motore di una Kawasaki Ninja 250r e un motore elettrico DC a spazzole AGNI 95r sono collegati in parallelo tramite catene ai pignoni del differenziale posteriore. La minimizzazione del peso e le considerazioni sul baricentro sono fondamentali per ridurre al minimo gli effetti negativi sulle prestazioni del veicolo. Con questo in mente, l'integrazione accurata del sistema batteria ad alta tensione (o accumulatore elettrico) diventa un elemento cruciale della progettazione complessiva del veicolo. Il nostro accumulatore è posizionato sotto il firewall dell'abitacolo, nel punto più basso e centrale dell'auto. Composto da 440 celle al litio 18650 ad alta scarica e monitorato da un computer di gestione dell'accumulatore progettato dal team, l'accumulatore rappresenta veramente uno dei sistemi più complessi dell'auto. Dall'accumulatore, il condotto dei cavi ad alta corrente procede verso un controller del motore montato posteriormente che alimenta direttamente il motore elettrico. Monitorando sensori posizionati in tutta l'auto, un PLC implementa la logica di controllo di alto livello per le funzioni dell'auto.

Abbiamo bisogno di più potenza!

Mentre il team utilizza un pacco batterie costruito su misura, la nostra soluzione di ricarica del passato era composta da un assortimento di prodotti disponibili in commercio. Questa soluzione di ricarica era tutt'altro che ottimale. Il caricabatterie precedente era costituito da due alimentatori DC a tensione fissa collegati in serie per raggiungere 80 Vdc. Poiché ogni alimentatore erogava sempre 40 Vdc, non avevamo un buon modo per controllare a quale corrente o tensione stavamo caricando. Dovevamo inoltre creare un sistema contorto per la commutazione quando gli alimentatori caricavano le batterie per conformarci alle regole. Per monitorare lo stato di carica delle batterie utilizzavamo alcuni multimetri portatili per monitorare tensione e corrente. Questo ci permetteva di approssimare quando interrompere la ricarica poiché non c'era alcun feedback dall'accumulatore al caricabatterie. Gli alimentatori non erano inoltre montabili a rack, quindi dovevamo costruire una custodia personalizzata per facilitare il trasporto alla competizione. Nonostante le sue carenze, questo sistema è stato soddisfacente per diversi anni. Questo è cambiato alla competizione del 2013, quando un alimentatore è esploso a causa di un problema non determinato. Questo incidente ci ha spinto a cercare un nuovo alimentatore che rispondesse meglio alle esigenze della nostra applicazione. Volevamo qualcosa che potesse essere facilmente trasportato e montato. Doveva inoltre essere facile da interfacciare e minimamente complicato da integrare nel nostro sistema esistente.

La nuova generazione

Fortunatamente, Magna-Power Electronics è venuta in nostro soccorso con un alimentatore programmabile Serie SL donato. La Serie SL era esattamente ciò che stavamo cercando. L'unità da 1,5 kW supporta l'ingresso universale, quindi possiamo far funzionare il nostro caricabatterie in pista o in officina senza doverci preoccupare di trovare 220 Vac. Inoltre, troviamo molto intuitiva l'integrazione con un'unità PLC commerciale. Questo ci permette di utilizzare profili di ricarica più complessi (vedi esempio nella figura 1), poiché le celle al litio richiedono curve di ricarica speciali per facilitare una ricarica sicura. Questo non era possibile con il vecchio caricabatterie, poiché non avevamo alcun controllo sulla corrente o sulla tensione che gli alimentatori erogavano. Nella nuova configurazione siamo in grado di regolare con precisione la corrente con cui carichiamo le celle, così come la tensione a cui scegliamo di saturare.

Anche il supporto di Magna-Power è stato eccellente quando avevamo domande sull'integrazione. Quando il team si è trovato nella necessità di certificati di calibrazione alla competizione, una telefonata al supporto Magna-Power ce li ha fatti avere in 10 minuti. Allo stesso modo, poiché ora controlliamo il nostro alimentatore con un PLC, possiamo far interrogare il caricabatterie all'auto per informazioni sulla reale necessità di una ricarica e sulla sicurezza dell'operazione. Il sistema riduce inoltre la corrente di carica se le batterie iniziano a surriscaldarsi, aumentando così la sicurezza e l'aspettativa di vita delle celle. Cosa più importante, poiché l'accumulatore e il caricabatterie sono costantemente in comunicazione, l'operazione di ricarica può essere interrotta automaticamente senza l'intervento dell'utente. Questo libera i membri del team per lavorare su altri compiti importanti. La possibilità di montare l'alimentatore a rack ha inoltre reso il trasporto significativamente più facile e robusto, poiché è tutto contenuto all'interno di un rack.

Conclusione

Il team ha tratto grandi benefici dal passaggio all'alimentatore Magna-Power SL. Più di ogni altra cosa, ci ha aiutato a capire quanto fosse inadeguata la nostra precedente soluzione di ricarica e le nuove possibilità che un alimentatore programmabile può offrire. Grazie alle funzionalità integrate nel nostro nuovo alimentatore, l'intero veicolo può ora beneficiare dei vantaggi della ricarica intelligente e della comunicazione in tempo reale. Abbiamo inoltre riscontrato un aumento della sicurezza e dell'affidabilità. Cosa più importante, sapere che abbiamo la flessibilità di espandere le nostre capacità di ricarica senza investire in una soluzione di ricarica completamente nuova ci rende fiduciosi che possa continuare a soddisfare le nostre esigenze anche in futuro.

Kyle Pollard è uno studente senior di ingegneria meccanica al Rensselaer Polytechnic Institute. Ha ricoperto il ruolo di chief engineer per il team Formula Hybrid negli ultimi tre anni. I suoi ambiti di interesse includono la progettazione di sistemi di batterie e la meccatronica.

Szymon Morawski è uno studente senior di sistemi informatici al Rensselaer Polytechnic Institute. È stato coinvolto nel team Formula Hybrid negli ultimi quattro anni. Szymon ha svolto diversi tirocini di ingegneria presso Magna-Power e non vede l'ora di continuare il suo lavoro nella programmazione di sistemi embedded dopo la laurea.