Post on 29-May-2020
Joel Macaya Baena
Estudi del comportament de les bateries d’una moto elèctrica de competició
TREBALL DE FI DE GRAU
dirigit per Dr. Luis Guasch Pesquer
Grau d’Enginyeria Elèctrica
Tarragona
2019
2
Índex
1 Memòria ................................................................................................. 4
1.1 Objecte .............................................................................................................. 4
1.2 Abast ................................................................................................................. 4
1.3 Antecedents ....................................................................................................... 4
1.3.1 Competició MotoStudent ........................................................................... 4
1.3.2 Equip URVoltageRacing ........................................................................... 4
1.3.3 MotoStudent 2018 ...................................................................................... 5
1.3.4 El paper de l’equip URVoltageRacing a la competició ............................ 6
1.4 Programes de càlcul ....................................................................................... 12
1.5 Abreviatures ................................................................................................... 12
1.6 Requisits de disseny ....................................................................................... 12
1.6.1 Requisits de la normativa MotoStudent .................................................. 13
1.6.2 Requisits de materials .............................................................................. 13
1.7 Anàlisis de solucions ...................................................................................... 14
1.7.1 Tipus de cel·les analitzades...................................................................... 14
1.7.2 Comparació de cel·les .............................................................................. 16
1.8 Resultats finals ............................................................................................... 20
1.8.1 Disseny del circuit elèctric general ......................................................... 20
1.8.2 Esquema elèctric de les bateries .............................................................. 24
1.8.3 Assaig de les bateries en el laboratori ..................................................... 25
1.8.4 Parametrització del model matemàtic ..................................................... 33
2 Annexes ................................................................................................ 40
2.1 Càlculs ............................................................................................................. 40
2.1.1 Perfil de velocitat-temps MotoGP ........................................................... 40
2.1.2 Perfil de velocitat-temps de la EM-01 ..................................................... 40
2.1.3 Paràmetres definits .................................................................................. 43
2.1.4 Codi de simulació ..................................................................................... 44
2.1.5 Simulink ................................................................................................... 46
2.1.6 Resultats ................................................................................................... 50
3 Plànols .................................................................................................. 55
3.1 Esquema elèctric ............................................................................................ 55
3.2 Esquema elèctric de les bateries ................................................................... 56
3.3 Esquema de connexions per a la prova de descarrega a 1C ...................... 57
3
3.4 Esquema de connexions per a la prova de descarrega a 2,5C ................... 58
3.5 Esquema de connexions per a la prova de descarrega a 3,5 ...................... 59
4 Plec de condicions ............................................................................... 60
4.1 Condicions tècniques ..................................................................................... 60
4.1.1 Definiciones y aspectos generales ........................................................... 60
4.1.2 Motor eléctrico y demanda de potencia .................................................. 61
4.1.3 Almacenamiento de energía .................................................................... 62
4.1.4 Controlador .............................................................................................. 64
4.1.5 Generalidades del sistema de alta tensión (HVS) ................................... 65
4.1.6 Sistemas y circuitos de desconexión ....................................................... 66
4.1.7 Fusibles .................................................................................................... 69
4.1.8 Recarga de acumuladores ....................................................................... 69
4.1.9 Instalación general y cableado ................................................................ 70
4.1.10 Control y mandos ..................................................................................... 71
5 Amidaments ......................................................................................... 72
5.1 Acumulador de bateries i estació de càrrega ............................................... 72
5.2 Elements del circuit de HV ........................................................................... 73
5.3 Elements de seguretat .................................................................................... 74
6 Pressupost ............................................................................................ 75
6.1 JUSTIFICACIÓ DE PREUS ........................................................................ 75
6.1.1 Acumulador de bateries i estació de càrrega .......................................... 75
6.1.2 Elements del circuit de HV ...................................................................... 76
6.1.3 Elements de seguretat .............................................................................. 77
6.2 PRESSUPOST ................................................................................................ 78
6.2.1 Pressupost parcial nº 1 Acumulador de bateries i estació de càrrega ... 78
6.2.2 Pressupost parcial nº 2 Elements del circuit de HV ............................... 79
6.2.3 Pressupost parcial nº 3 Elements de seguretat ....................................... 80
6.3 RESUM DEL PRESSUPOST ....................................................................... 81
1 Memòria
4
1 Memòria
1.1 Objecte
L’objecte del treball és el disseny i realització del circuit elèctric d’una motocicleta
elèctrica de competició, basat en la caracterització i anàlisi de les bateries.
1.2 Abast
L'abast del treball inclou:
- Anàlisi del tipus de cel·les utilitzades per a la formació de les bateries.
- Càlcul dels paràmetres elèctrics del conjunt de les bateries mitjançant fórmules i
simulacions.
- Anàlisi i obtenció dels paràmetres reals de les bateries mitjançant assaigs al
laboratori per a la posterior implementació en un model matemàtic de les bateries.
1.3 Antecedents
Des de principis del segle XXI, la indústria de l’automòbil ha patit un gran creixement en
el desenvolupament de cotxes híbrids i elèctrics i recentment motos elèctriques. Tot i les
millores de prestacions en aquests tipus de vehicles i el fet de no ser contaminants,
l’autonomia i temps de recarrega de les bateries, són els principals inconvenients a data
d’avui.
Degut a l’impuls d’aquestes tecnologies, les competicions automobilístiques, han
desenvolupat les seves vessants elèctriques, per exemple Formula E amb la seva primera
edició durant la temporada 2014-2015 i Moto E amb la seva primera edició programada
per a la temporada 2019-2020.
Per tal de comprendre d’on prové la iniciativa d’aquest treball, s’ha de saber que s’ha
dissenyat i construït una moto elèctrica per participar a la competició MotoStudent, per
integrants de l’equip URVoltageRacing. En aquest treball, es presenta únicament la part
vinculada al circuit elèctric i les bateries.
1.3.1 Competició MotoStudent
MotoStudent és una competició universitària internacional que té com a finalitat el
disseny, construcció i test d’una motocicleta creada per equips d’alumnes de diferents
universitats de tot el món. Es duu a terme biennalment i es divideix en dues categories,
MotoStudent Petrol, en la que el sistema de propulsió de la motocicleta es un motor de
combustió interna i MotoStudent Electric, en la que tots els sistemes de la motocicleta,
inclòs el de propulsió, són 100% elèctrics.
1.3.2 Equip URVoltageRacing
L’equip URVoltageRacing, es va crear a l’abril de 2017 per tal d’inscriure’s a la V edició
de la competició MotoStudent com a representació de la Universitat Rovira i Virgili en la
seva categoria de motocicleta elèctrica. Aquest equip es va formar amb estudiants dels
graus en Enginyeria Mecànica, Enginyeria Elèctrica i Enginyeria Electrònica Industrial i
Automàtica, estudiants del Màster en Enginyeria Industrial i estudiants de Doctorat. En
total 11 estudiants.
1 Memòria
5
1.3.3 MotoStudent 2018
La V edició de la competició internacional MotoStudent va acollir un major nombre
d’equips que les edicions anteriors amb un total de 73 equips inscrits, 46 en la categoria
“Petrol” i 25 en la categoria “Electric”. A continuació es pot veure una taula dels equips
inscrits en la categoria “Electric”, en la que va participar l’equip URVoltageRacing.
Taula 1.1. Equips participants en la V edició de MotoStudent “Electric”
Ref Bike Number Team Name
001E 10 EEBE ePowered Racing
002E 32 UPM Motostudent Electric
003E 11 Impulse Modena Racing
004E 19 UoN Racing
005E 17 eLaketric – UAS Constance
006E 88 UniBo Motorsport
007E 5 UMA RACING TEAM
008E 24 ICAI Speed Club Electric
009E 53 e-Ride ETSEIB
010E 64 UdeS-EMUS
011E 25 URVoltage Racing
012E 33 Okami Racing - DTU
013E 2 MotoSpirit UPC
014E 4 EPSEVG E3-TEAM
015E 50 EUPLA Racing Team
016E 69 Nebrija Power Wheelie
017E 15 EPS Jaén ujaenteam
018E 9 MS UNIZAR ELECTRIC
019E 7 Unirioja MotoStudent
020E 18 GUEPARDO TEAM UMH
021E 6 UCO ELECTRIC RACING
022E 96 CTULions-E
023E 77 Kenji Racing Team
024E 14 EPSA MOTO-e
025E 55 TLMoto
També es pot veure una imatge en la que apareixen tots els equips participants juntament
amb les motocicletes fabricades en la línia de sortida del circuit Motorland Aragó, en el
que es va dur a terme la competició.
Figura 1.1. Imatge dels equips participants al circuit Motorland Aragó
1 Memòria
6
1.3.4 El paper de l’equip URVoltageRacing a la competició
Després de realitzar la inscripció en la competició MotoStudent, l’equip va començar amb
el disseny de les diverses parts de la motocicleta, mentre es buscaven patrocinadors per
tal d’obtenir el material necessari per al posterior procés de fabricació. Des del setembre
del 2017 fins a principis de maig del 2018, es va dur a terme el disseny complert de la
motocicleta, mentre es preparaven els documents que exigia la competició per comprovar
que els dissenys eren segurs i complien la normativa. Durant tot aquest temps, i degut a
la dificultat de trobar patrocinadors, l’equip va tenir moltes dificultats per aconseguir el
material necessari per a la construcció de la moto.
Fins a principis de juny de 2018, l’equip només tenia el material de la part electrònica,
degut a que aquest és més econòmic. A mitjans de juny, i degut a l’arribada de diversos
patrocinadors, l’equip va poder fer els pagaments de gairebé el total del material necessari
per a complir el disseny. Aquest material incloïa el xassís, el basculant, les bateries,
l’inversor i carregador entre d’altres. Així doncs, cap a finals de juliol, l’equip ja va poder
començar amb el muntatge. A continuació es poden veure unes imatges de l’etapa de
fabricació:
Figura 1.2. Muntatge del motor i part del circuit elèctric en el xassís
Figura 1.3. Elements del circuit elèctric disposats a la moto
1 Memòria
7
Figura 1.4. Bateries amb els elements auxiliars
A mesura que avançaven els dies, la construcció de la moto, també ho feia, tant per la
part elèctrica, electrònica i mecànica. A continuació es poden veure més imatges en les
que el muntatge estava més avançat:
Figura 1.5. Imatge superior de la moto en la fase de muntatge
Figura 1.6. Imatge del panell frontal de la moto que conté la part electrònica
1 Memòria
8
Un cop finalitzat el procés de muntatge, l’equip es va desplaçar al circuit de Motorland
Aragó amb la moto i tot el material. Un cop instal·lat al box que es va adjudicar a l’equip,
aquest va fer els darrers canvis en el muntatge per tal d’obtenir el model final de la moto.
Figura 1.7. Posada a punt de la motocicleta
Figura 1.8. Model final de la moto en el box de l’equip
En finalitzar la etapa de muntatge, l’equip va procedir a passar les verificacions
necessàries per a participar en la cursa. Aquestes verificacions eren les estàtiques, es
dinàmiques i les administratives.
1 Memòria
9
Figura 1.9. Membres de l’equip a les verificacions estàtiques
Figura 1.10. Un pilot de la organització comprovant la dinàmica de la moto
En passar totes aquestes verificacions, la moto estava en posició de córrer la cursa. Per
diferenciar els equips que havien passat les verificacions dels que no, la organització
disposava unes enganxines al xassís de la moto avaluada.
Figura 1.11. Enganxines de verificació
1 Memòria
10
Abans de la cursa, i per tal d’obtenir alguns punts, la competició va preparar unes probes
d’acceleració, frenada i maniobrabilitat que es duien a terme pels pilots de cada un dels
equips.
Figura 1.12. La EM-01 en la proba de maniobrabilitat pilotada pel pilot de l’equip
Finalment, es va dur a terme la cursa, que consistia en 5 voltes al circuit més una volta
d’escalfament anterior a aquestes.
Figura 1.13. La EM-01 pilotada per Julià Olivé durant la cursa
Figura 1.14. La EM-01 amb l’equip URVoltageRacing
1 Memòria
11
Un cop finalitzada la cursa, la organització va publicar els resultats.
Taula 1.2. Posicions a la cursa i puntuació
Ref Bike Number Team Name Position Score
001E 10 EEBE ePowered Racing 10 65
002E 32 UPM Motostudent Electric 3 112
003E 11 Impulse Modena Racing 14 45
005E 17 eLaketric – UAS Constance 6 85
006E 88 UniBo Motorsport 8 75
007E 5 UMA RACING TEAM 1 150
008E 24 ICAI Speed Club Electric
009E 53 e-Ride ETSEIB 16 35
010E 64 UdeS-EMUS
011E 25 URVoltage Racing 13 40
013E 2 MotoSpirit UPC 11 48
014E 4 EPSEVG E3-TEAM
015E 50 EUPLA Racing Team 7 80
017E 15 EPS Jaén ujaenteam 4 100
018E 9 MS UNIZAR ELECTRIC 5 90
019E 7 Unirioja MotoStudent 12 44
020E 18 GUEPARDO TEAM UMH
021E 6 UCO ELECTRIC RACING 2 130
022E 96 CTULions-E 9 70
023E 77 Kenji Racing Team 15 16
024E 14 EPSA MOTO-e
025E 55 TLMoto
Finalment, la puntuació total de cada equip, es definia per la suma de puntuacions en la
cursa, probes dinàmiques i documentació entregable.
Taula 1.3. Puntuacions totals de la competició
Ref Bike Number Team Name Score Position
001E 10 EEBE ePowered Racing 510 6
002E 32 UPM Motostudent Electric 756 2
003E 11 Impulse Modena Racing 376 12
005E 17 eLaketric – UAS Constance 570 5
006E 88 UniBo Motorsport 684 3
007E 5 UMA RACING TEAM 841 1
008E 24 ICAI Speed Club Electric 236 17
009E 53 e-Ride ETSEIB 393 9
010E 64 UdeS-EMUS 336 14
011E 25 URVoltage Racing 255 16
013E 2 MotoSpirit UPC 307 15
014E 4 EPSEVG E3-TEAM 122 21
015E 50 EUPLA Racing Team 388 10
017E 15 EPS Jaén ujaenteam 489 7
018E 9 MS UNIZAR ELECTRIC 595 4
019E 7 Unirioja MotoStudent 374 13
020E 18 GUEPARDO TEAM UMH 180 18
021E 6 UCO ELECTRIC RACING 481 8
022E 96 CTULions-E 382 11
023E 77 Kenji Racing Team 156 19
024E 14 EPSA MOTO-e 79 23
025E 55 TLMoto 81 22
1 Memòria
12
Com es pot veure, l’equip URVoltageRacing va quedar 16è dels 25 equips del total de la
competició i, tal i com es pot veure a continuació, 3r dels equips “Rookies”, que són els
equips que participaven per primera vegada a la competició MotoStudent.
Taula 1.4. Classificació dels equips “Rookies”
Ref Bike Number Team Name Score Position
004E 19 UoN Racing 138 4
006E 88 UniBo Motorsport 684 1
010E 64 UdeS-EMUS 336 2
011E 25 URVoltage Racing 255 3
012E 33 Okami Racing - DTU 77 5
016E 69 Nebrija Power Wheelie -11 6
1.4 Programes de càlcul
Els programes de càlcul usats durant la realització del treball, han sigut:
- Microsoft Excel
- Matlab
- PSIM
- AutoCAD
1.5 Abreviatures
DC: Corrent continu (Direct Current)
AC: Corrent altern (Alternating Current)
IMD: Dispositiu Vigilant de l’Aïllament (Insulation Monitoring Device)
BMS: Sistema de Gestió de les Bateries (Battery Management System)
HVS: Sistema d’Alta Tensió (High Voltage System)
GLVS: Sistema de Baixa Tensió connectat a Massa (Ground Low Voltage System)
TSMS: Interruptor General del Sistema de Tracció (Tractive System Master Switch)
GLVMS: Interruptor General del Sistema de Baixa Tensió (Ground Low Voltage Master
Switch)
EM-01: Electric Motorbike 01
SOC: Estat de la càrrega (State of Charge)
1.6 Requisits de disseny
Com a requisits de disseny es poden definir les normes recollides en el reglament de la
normativa MotoStudent i el kit entregat per la competició en fer la inscripció.
Addicionalment, gràcies al conveni que té la organització de MotoStudent amb alguns
proveïdors, aquests oferien material que ja havia estat provat amb les configuracions que
marcava la normativa i amb grans descomptes, pel que es va decidir comprar alguns dels
kits abans de començar amb el disseny.
1 Memòria
13
1.6.1 Requisits de la normativa MotoStudent
A continuació s’han recollit els punts del reglament que restringeixen directament
paràmetres del circuit elèctric de la motocicleta. En l’apartat 4.2 Condicions tècniques es
poden trobar tots els punts del reglament:
• D.1.1.1 La tensión máxima permitida del sistema HV será de 110 VDC (baterías
a plena carga).
• D.1.2.1 El HVS debe estar aislado eléctricamente del chasis o masa del vehículo.
• D.1.3.1 El GLVS deberá ser un sistema LV, es decir, de una tensión inferior a 40
VDC.
• D.1.4.1 El HVS y el sistema GLVS estarán aislados galvánicamente.
• D.1.4.2 En el caso de uso de un convertidor DC/DC, éste deberá cumplir con esa
especificación.
• D.3.1.2 La tensión suministrada de las baterías será, de un máximo de 110 VDC
con el acumulador totalmente cargado, tal y como describe el Art.D.1.1.
• D.3.3.3 Cada contenedor de bateries deberá incluir en su interior al menos un
fusible, cuya intensidad nominal esté por debajo del poder de corte del contactor.
• D.3.3.5 El cierre del contactor de línea, y por lo tanto la presencia de Alta Tensión
(HV) a la salida del acumulador, deberá quedar señalizado a través de una señal
luminosa de color rojo ubicada en el dashboard, según las pautas indicadas en el
Art. D.10.1.1.
• D.3.5.1 Es obligatoria la instalación de un sistema de gestión de baterías (BMS).
• D.3.5.2 El BMS deberá leer la tensión de cada celda, para mantener las celdas
dentro de los límites de tensión indicados por el fabricante.
• D.6.1.1 El circuito de desconexión constará de al menos:
- Un Interruptor General del Sistema de Tracción (Tractive System Master
Switch - TSMS).
- Un Interruptor de Emergencia.
- Un vigilante de aislamiento (Insulation monitoring device - IMD).
- El sistema de desconexión gestionado por el BMS.
• D.7.2 Todos los circuitos del lado GLV deberán tener colocado un fusible que
proteja el conductor y el dispositivo al que alimenta, evitando que se alcancen las
corrientes máximas admisibles por estos.
1.6.2 Requisits de materials
Els materials usats dels que es disposava abans de l’inici del projecte, són els següents:
- Motor elèctric. Es tracta d’un motor síncron d’imants permanents de 12 kW de
potència nominal. Aquest component estava inclòs en el Kit MotoStudent
Electric, però no se’n pot indicar marca i model ja que no es tracta d’un motor
comercial, sinó un de dissenyat específicament per a l’ús en aquesta edició de
MotoStudent.
- Dispositiu vigilant d’aïllament. És un dispositiu que controla en tot moment el
correcte aïllament del xassís de la motocicleta respecte els elements elèctrics
d’aquesta. Aquest component estava inclòs en el Kit MotoStudent Electric i la
marca i model són Bender IR155-32xx
1 Memòria
14
- Inversor/controlador. Necessari per tal de convertir el voltatge DC monofàsic
de les bateries en AC trifàsic per alimentar el motor. També obté els paràmetres
en temps real del motor per a que siguin mostrats per la pantalla. La marca i el
model són Play and Drive Sevcon Gen4 controller i a continuació es poden veure
les especificacions restrictives en el disseny elèctric:
Taula 1.5. Condicions elèctriques de funcionament de l’inversor
Voltatge DC mínim 80 VDC
Voltatge DC màxim 110 VDC
Intensitat d’entrada màxima 550 A
- Carregador de bateries. Encarregat de dur a terme la càrrega de les bateries. És
de la marca Play and Drive i a continuació es poden veure les seves
especificacions:
Taula 1.6. Condicions elèctriques de funcionament del carregador de bateries
Potència nominal 3 kW
Voltatge de connexió a xarxa 220/230 VAC
Voltatge de càrrega màxim 110 VDC
Intensitat de càrrega màxima 20 A
- Contactor de línia. Necessari per a realitzar la connexió entre les bateries i
l’inversor. La marca i model són Albright Line contactor SU280b-10XXp.
- Convertidor DC/DC. Encarregat de generar el nivell de tensió del circuit GLV.
La marca i el model són Play and Drive Sevcon DC/DC converter i a continuació
es poden veure les seves especificacions:
Taula 1.7. Condicions elèctriques de funcionament del convertidor DC/DC
Potència nominal 500 W
Voltatge d’entrada 30-120 VDC
Voltatge de sortida 13.8 VDC
1.7 Anàlisis de solucions
En aquest apartat, s’ha fet un estudi comparatiu entre els diferents tipus de cel·les que es
poden trobar al mercat en l’actualitat per tal d’escollir les millors per a l’activitat per a la
que es faran servir.
1.7.1 Tipus de cel·les analitzades
En el mercat podem trobar molts tipus de bateries, així que, per tal d’escollir les més
adients als requisits que s’han de respectar del reglament, s’han considerat el major
nombre possible de tipus. A continuació es pot veure una explicació general de cada un
dels tipus de bateries que s’han analitzat:
1 Memòria
15
1.7.1.1 Cel·les de Pb-Àcid
Aquestes cel·les tenen bones prestacions i una relació qualitat-preu molt bona. Tot i això
la seva energia específica es molt baixa, fet que fa que per a la mateixa potencia de
bateries, aquetes siguin més pesades i/o més voluminoses. A continuació es mostra una
taula d’avantatges i inconvenients:
Taula 1.8. Avantatges i inconvenients de les cel·les de Pb-Àcid
Avantatges Inconvenients
Fàcil fabricació i reciclatge Càrrega lenta
No té efecte memòria Energia específica baixa (33-42 Wh/kg)
Corrent de descàrrega elevat Necessitat de manteniment
1.7.1.2 Cel·les de Níquel
D’aquest tipus de cel·les, s’han considerat tant les de Ni-Cd (Níquel-Cadmi) com les de
Ni-MH (Níquel-Hidrur metàl·lic). Generalment són cel·les amb volum molt reduït, una
energia específica mitja (40-80 Wh/kg) i que poden treballar en un elevat rang de
temperatures i durant un elevat nombre de cicles, tot i això, presenten efecte memòria i
són contaminants en la seva etapa de reciclatge. A continuació es mostra una taula
d’avantatges i inconvenients:
Taula 1.9. Avantatges i inconvenients de les cel·les de Níquel
Avantatges Inconvenients
Volum reduït Presenta efecte memòria
Ample rang de temperatures de treball Contaminant
Elevat nombre de cicles de càrrega i descàrrega Elevat percentatge d’auto descàrrega (20-30% /mes)
1.7.1.3 Cel·les de Liti
Les cel·les de Liti són les que tenen una major diversitat de tipus. Per aquesta comparació,
s’han analitzat els tipus: Ió-Liti, Li-Po (Polímer de Liti), LiFePo4 (Liti ferro fosfat) i
Li(NiCoMn) O2 (Liti-Òxid de Níquel Manganès Cobalt). Generalment, aquests tipus de
cel·les, tenen una energia específica alta, no presenten efecte memòria i tenen una alta
capacitat de descàrrega (sobretot les Li-Po), tot i això, són molt perilloses si no es controla
correctament el seu nivell de tensió i temperatura ja que poden sobrecalentar-se fins al
punt d’incendiar-se o fins i tot explotar. A continuació es mostra una taula d’avantatges i
inconvenients:
Taula 1.10. Avantatges i inconvenients de les cel·les de Liti
Avantatges Inconvenients
Energia específica alta (100-265 Wh/kg) Molt perilloses (poden incendiar-se i/o explotar)
Auto descàrrega gairebé nul·la LiFePo4 i Li(NiCoMn) O2 tenen un preu elevat
No té efecte memòria Ió-Liti presenta un baix nombre de cicles de càrrega
i descàrrega
Alta capacitat de descàrrega
1 Memòria
16
1.7.2 Comparació de cel·les
S’ha realitzat una comparació de dades entre cel·les de cada tipus trobades al mercat. De
cada tipus, s’ha considerat: pes, mides, voltatge i capacitat nominals, corrent màxim de
descàrrega, resistència interna i preu. Per tal de veure amb més facilitat les especificacions
i els valors necessaris per realitzar els càlculs posteriors, s’han recollit les especificacions
en un full de càlcul. A continuació es poden veure unes taules amb aquestes dades:
Taula 1.11. Especificacions de bateries al mercat 1
Model de la cel·la Tipus Tensió
nominal (V)
Capacitat
nominal (Ah) R interna (mΩ)
Melasta LPA575175 Li-Po 3.70 15.00 1.50
Panasonic N-3000CR Ni-Cd 1.20 3.00 3.40
Panasonic HHR-300SCPY20 Ni-MH 1.20 2.80 4.00
Samsung INR18650-25R Ió-Liti 3.70 2.50 25.00
AA Portable Power Corp 6608 Li (NiCoMn) O2 3.70 10.00 30.00
A123 Systems ANR26650 Life-Po 3.20 2.30
Sonnenschein A504/3.5 S Pb-Àcid 4.00 3.50 48.00
Taula 1.12. Especificacions de bateries al mercat 2
Model de la cel·la Pes cel·la
(g)
Alçada
(cm)
Àrea de la
base (cm2)
Corrent màx.
Descàrrega (A)
Preu per
cel·la (€)
Melasta LPA575175 290.00 174.00 757.50 225.00 62.24
Panasonic N-3000CR 86.00 49.00 635.04 30.00 6.44
Panasonic HHR-300SCPY20 57.00 43.00 529.00 30.00 5.11
Samsung INR18650-25R 45.00 64.85 335.99 20.00 8.61
AA Portable Power Corp 6608 200.00 162.00 660.00 40.00 33.00
A123 Systems ANR26650 71.00 65.10 686.44 45.00 13.43
Sonnenschein A504/3.5 S 500.00 90.50 2,087.25 60.00 26.00
Taula 1.13. Paràmetres orientatius de les bateries
Voltatge bateria orientatiu (V) 100.00
Energia orientativa (Wh) 2,466.72
Energia orientativa (J) 8,880,202.00
Capacitat orientativa (Ah) 24.67
Coeficient de seguretat "k" 1.25
Capacitat necessària (Ah) 30.83
Energia necessària aproximada (Wh) 3,083.40
Energia necessària aproximada (J) 11,100,252.50
1 Memòria
17
Els valors marcats com a orientatius han sigut extrets de la simulació de MatLab
adjuntada al punt 2.1 Annex de càlculs. Aquesta simulació s’ha realitzat a partir de
paràmetres mecànics de la motocicleta i del circuit de Motorland Aragó.
També es pot veure que s’ha considerat un coeficient “k” per tal de cobrir les pèrdues per
resistència interna i sobredimensionar lleugerament la capacitat de la bateria.
Per tal d’obtenir magnituds comparatives per a realitzar la tria final de les cel·les, s’han
realitzat càlculs sobre la fulla d’Excel amb les formules següents:
𝑁𝑝 =𝐶𝑏𝑎𝑡
𝐶𝑐𝑒𝑙 (1.1)
𝑁𝑠 =𝑉𝑏𝑎𝑡
𝑉𝑐𝑒𝑙 (1.2)
𝐶𝑟 = 𝑁𝑝 · 𝐶𝑐𝑒𝑙 (1.3)
𝑉𝑟 = 𝑁𝑠 · 𝑉𝑐𝑒𝑙 (1.4)
𝐼𝑚à𝑥 = 𝐼𝑐𝑒𝑙 · 𝑁𝑝 (1.5)
𝐸𝑟(𝑘𝑊ℎ) =𝐶𝑟 · 𝑉𝑟
1000 (1.6)
𝑃𝑒𝑠𝑏𝑎𝑡 = 𝑁𝑝 · 𝑁𝑠 · 𝑃𝑒𝑠𝑐𝑒𝑙 (1.7)
𝑉𝑜𝑙𝑏𝑎𝑡 = 𝑁𝑝 · 𝑁𝑠 · ℎ𝑐𝑒𝑙 · 𝐴𝑐𝑒𝑙 (1.8)
𝑃𝑟𝑒𝑢𝑏𝑎𝑡 = 𝑁𝑝 · 𝑁𝑠 · 𝑃𝑟𝑒𝑢𝑐𝑒𝑙 (1.9)
On:
• 𝑁𝑝: Nombre de cel·les en paral·lel
• 𝑁𝑠: Nombre de cel·les en sèrie
• 𝐶𝑏𝑎𝑡: Capacitat orientativa de la bateria
• 𝐶𝑐𝑒𝑙: Capacitat de la cel·la
• 𝑉𝑏𝑎𝑡: Tensió orientativa de la bateria
• 𝑉𝑐𝑒𝑙: Tensió de la cel·la
• 𝐶𝑟: Capacitat real de la bateria
• 𝑉𝑟: Tensió real de la bateria
• 𝐼𝑚à𝑥: Intensitat màxima de descàrrega de la bateria
• 𝐼𝑐𝑒𝑙: Intensitat màxima de descàrrega de la cel·la
• 𝐸𝑟: Energia real de la bateria
• 𝑃𝑏𝑎𝑡: Pes total de la bateria
• 𝑃𝑐𝑒𝑙: Pes de la cel·la
• 𝑉𝑜𝑙𝑏𝑎𝑡: Volum de la bateria
• ℎ𝑐𝑒𝑙: Alçada de la cel·la
1 Memòria
18
• 𝐴𝑐𝑒𝑙: Àrea de la base de la cel·la
• 𝑃𝑟𝑒𝑢𝑏𝑎𝑡: Preu total de la bateria
• 𝑃𝑟𝑒𝑢𝑐𝑒𝑙: Preu de la cel·la
Utilitzant aquestes formules, s’han obtingut els següents valors per a cada tipus de
bateries:
Taula 1.14. Resultats de l’anàlisi de les cel·les
Tipus Branques (cel·les
en paral·lel)
Capacitat
real (Ah)
Cel·les en sèrie
per branca
Voltatge real
(V)
Energia real
(kWh)
Li-Po 3 45.00 28 103.60 4.66
Ni-Cd 11 33.00 84 100.80 3.33
Ni-MH 12 33.60 84 100.80 3.39
Ió-Liti 13 32.50 28 103.60 3.37
Li (NiCoMn) O2 4 40.00 28 103.60 4.14
Life-Po 14 32.20 32 102.40 3.30
Pb-Àcid 9 31.50 25 100.00 3.15
També s’han realitzat unes gràfiques sobre el full d’Excel per tal de mostrar de manera
més visual les magnituds més representatives per a la construcció de la motocicleta. A
continuació es poden veure aquestes gràfiques:
Taula 1.15. Comparació del corrent de descàrrega màxim
Es pot veure que les cel·les que poden donar més corrent a l’inversor per alimentar el
motor, són les Li-Po, les LiFe-Po i les Pb-Àcid, mentre que les que en poden donar menys
són les Li(NiCoMn) O2. Tot i això, per tal de protegir les cel·les de la bateria, s’utilitza
un BMS (explicat anteriorment) que limita el corrent a 240 A, per tant, el corrent màxim
que podrien donar totes elles, tret de les Li(NiCoMn) O2, seria el que limita el BMS.
1 Memòria
19
Taula 1.16. Comparació del pes total de la bateria
Com que el pes té un gran efecte sobre la reducció de la velocitat màxima, el que es busca
són unes bateries lleugeres. Es pot destacar fàcilment el que presenten les Pb-Àcid, les
Ni-Cd i les Ni-MH, per tant, aquests tipus no serien adients per a la finalitat per a la que
es dissenyen.
Taula 1.17. Comparació del volum total de la bateria
En quant al volum, com que s’ha de contenir aquest element juntament amb d’altres, les
bateries escollides han de tindre un volum reduït. D’entre les que s’han comparat, es pot
veure que les Ni-Cd, les Ni-MH, les LiFe-Po i les Pb-Àcid, tenen un volum elevat, per
tant l’elecció final, hauria de ser una de les altres, es a dir, Ió-Liti, Li-Po o Li(NiCoMn)
O2.
Taula 1.18. Comparació del preu total de la bateria
Finalment, el preu juga un paper molt important en aquesta elecció, ja que el pressupost
ha de ser el més ajustat possible i l’acumulador de bateries no és l’únic element de la
moto que calia comprar. Per tant, es van descartar fàcilment les que tenien per sobre de
5.000 €, es a dir les Li-Po, Ni-Cd, Ni-MH, LiFe-Po i Pb-Àcid. Per tant, les Ió-Liti i les
1 Memòria
20
Li(NiCoMn) O2, que oscil·len entre els 3.134 € i els 4.060 €, són les que s’ajustaven més
al pressupost més baix possible.
Així doncs, després d’haver fet aquesta comparació es pot veure que el tipus de bateria
Ió-Liti, és el que més s’ajusta a les especificacions i és més òptim per a la finalitat per a
la que es dissenya. Entre els dos models de bateria d’Ió-Liti que es van comparar, es pot
veure que les Samsung INR18650-25R tenien una millor relació qualitat-preu.
1.8 Resultats finals
En aquest apartat es presenten els dissenys finals de l’esquema elèctric general de la
motocicleta i de l’esquema elèctric de les bateries. Per altra part, les proves de descarrega
de les bateries realitzades al laboratori amb els seus càlculs previs i les conclusions.
1.8.1 Disseny del circuit elèctric general
A partir de les restriccions de disseny imposades pel reglament MotoStudent i l’ús dels
materials ja disponibles, s’ha procedit al disseny del circuit elèctric de la motocicleta,
diferenciant el circuit d’alta tensió (HVS) i el de baixa tensió connectat a massa (GLVS).
1.8.1.1 Disseny del circuit de baixa tensió connectat a massa (GLVS)
Per a realitzar el disseny d’aquesta part del circuit elèctric, s’ha utilitzat com a punt de
partida un dels models de connexió del circuit de HV recomanats pel reglament
MotoStudent en concret el l’esquema 1 del punt del reglament D.6.1.2 “Circuito de
desconexión con contactor controlado directamente por el circuito de desconexión”. A
continuació es pot veure una imatge d’aquest circuit.
Figura 1.15. Circuit elèctric proposat pel reglament MotoStudent usat com a base per al disseny
Un cop es té aquest circuit com a base de disseny, s’han realitzat les modificacions
pertinents per tal de complir tots els aspectes del reglament. Per una part, s’ha afegit al
circuit la part de control que a través d’un convertidor DC/DC s’alimenta a un nivell de
tensió de 5 V. Per altra part, degut a que la intensitat que pot donar a la sortida l’IMD, és
molt reduït (120 mA com a màxim) s’ha instal·lat un MOSFET per tal que el corrent
1 Memòria
21
necessari per excitar els contactors, provingui de la línia de tensió de 13,8 V de la sortida
del convertidor DC/DC.
Per complir el punt del reglament D.7.2 “Todos los circuitos del lado GLV deberán tener
colocado un fusible que proteja el conductor y el dispositivo al que alimenta, evitando
que se alcancen las corrientes máximas admisibles por estos”, s’han instal·lat fusibles de
poder de tall 30 A en la línia de massa, la línia d’alimentació del convertidor DC/DC cap
a control, la línia d’alimentació del drenador del MOSFET i la línia d’alimentació dels
elements de seguretat (TSMS, SETA i IMD).
Degut a que en el disseny de les bateries, es contempla el BMS que facilita el proveïdor
juntament amb la bateria (i al qual no existeix cap terminal accessible), aquest element
no es troba en el circuit GLVS.
Amb les modificacions anteriors, el resultat final del circuit GLVS és que es pot trobar al
plànol 3.1 Esquema elèctric.
Figura 1.16. Esquema elèctric del GLVS dissenyat
1.8.1.2 Disseny del circuit d’alta tensió (HVS)
De la mateixa manera que en l’apartat anterior, s’ha utilitzat un model de circuit elèctric
per a fer servir com a base de disseny del circuit HVS. En aquest cas, el circuit que s’ha
usat és l’esquema de connexions del controlador. A continuació es pot veure aquest
esquema:
1 Memòria
22
Figura 1.17. Circuit elèctric de connexió de l’inversor usat com a base per al disseny
Sobre aquest esquema s’han realitzat dos modificacions, les dues per a complir un punt
de la normativa MotoStudent, en concret el punt D.3.3.5 “El cierre del contactor de línea,
y por lo tanto la presencia de Alta Tensión (HV) a la salida del acumulador, deberá quedar
señalizado a través de una señal luminosa de color rojo ubicada en el dashboard”.
Degut a que l’acció que marca la connexió de les bateries a l’inversor es el tancament del
contactor de línia, s’ha instal·lat un díode LED amb la corresponent resistència de
polarització a la línia d’alimentació d’aquest contactor.
El problema produït en aquesta configuració és que l’inversor té una capacitat interna
molt elevada, fet que fa que un cop es desconnecti el contactor de línia la tensió a les
bornes de l’inversor es va reduint lentament mantenint el díode LED encès durant un
temps tot i que el circuit HVS no estigui connectat a les bateries. Per tal de resoldre aquest
problema, s’ha instal·lat una resistència de dissipació entre les bornes de l’inversor,
juntament amb un contactor normalment tancat controlat des de la sortida del circuit de
seguretat de baixa tensió per tal que aquesta resistència es connecti a l’inversor només
quan aquest està desactivat.
Així, el circuit elèctric d’alta tensió queda modificat complit el punt del reglament
anomenat anteriorment. A continuació es pot veure el disseny del circuit HVS, extret del
plànol 3.1 Esquema elèctric.
1 Memòria
23
Figura 1.18. Esquema elèctric del HVS dissenyat
1.8.1.3 Disseny final de l’esquema elèctric
Finalment, s’han unit els dos circuits explicats anteriorment afegint una modificació, ja
que per tal de realitzar la desconnexió del circuit HVS a través d’algun dels elements de
seguretat del circuit GLVS, no és possible connectar el MOSFET directament entre
l’alimentació del contactor de línia i aquest mateix. Per resoldre aquest problema, s’ha
instal·lat un relé, el qual està alimentat per la part de la bobina, entre el pin del sortidor
del MOSFET i terra, i per la part de l’actuador, entre l’alimentació del contactor de línia
i aquest. A continuació es mostra l’esquema elèctric final, que es pot veure amb més detall
a l’apartat 3 Plànols.
Figura 1.19. Esquema elèctric general de la motocicleta
1 Memòria
24
1.8.2 Esquema elèctric de les bateries
D’acord amb els càlculs que s’han mostrat en l’apartat 1.7.2 “Comparació de cel·les”, en
les que s’ha argumentat la decisió de l’ús de les cel·les d’Ió-Liti Samsung INR18650-
25R, seran necessaris 28 blocs en sèrie formats per 13 cel·les en paral·lel cada un, el que
es podria resumir com a cel·les en configuració 28S13P.
Les bateries estan formades per les cel·les en configuració 28S13P i pels elements de
seguretat que mantenen aquestes cel·les en els marges de treball. Aquests elements de
seguretat, són els següents:
- BMS, encarregat d’obtenir la tensió de les cel·les per tal que durant la càrrega no
es superin els 4,2 V de tensió màxima i durant la descàrrega el voltatge d’aquestes,
no baixi per sota els 2,5 V (aquests valors han sigut extrets del datasheet de les
cel·les Samsung INR18650-25R que es pot trobar adjunt en l’apartat 2.3.1
Catàlegs dels elements constitutius del projecte). Com ja s’ha comentat, aquest
dispositiu va ser fabricat pel proveïdor amb les especificacions comentades, però
aquest circuit no tenia cap terminal accessible, estava integrat físicament amb les
bateries.
- Fusible HV, encarregat d’obrir el circuit de connexió entre les bateries i l’inversor
en cas que el corrent de sortida del conjunt de cel·les en configuració 28S13P
superi els 200 A.
- Sensors de temperatura, encarregats de mostrar per la pantalla la temperatura en
4 punts del conjunt de les cel·les. Aquests sensors no desconnecten directament
el circuit de HV, però mostren una alerta per la pantalla de la motocicleta per tal
que el pilot pugui realitzar una desconnexió manual a través del polsador
d’emergència.
Aquest conjunt d’elements, les cel·les en configuració 28S13P i els elements de seguretat
són el que serà anomenat a partir d’ara com a bateries.
A continuació es mostra l’esquema elèctric de les bateries, on es poden veure els elements
constitutius d’aquestes i les indicacions de les connexions amb els altres elements del
circuit elèctric general. Aquest plànol es pot veure amb més detall a l’apartat 3 Plànols.
Figura 1.20. Esquema elèctric de les bateries
1 Memòria
25
1.8.3 Assaig de les bateries en el laboratori
Un cop s’ha realitzat el disseny de l’esquema elèctric general de la motocicleta i
l’esquema de connexions de les bateries, s’ha realitzat un anàlisis de la descarrega
d’aquestes per tal de parametritzar un model existent i comparar-lo amb els resultats
obtinguts.
1.8.3.1 Treball previ a les sessions de laboratori
Per tal d’obtenir un anàlisis de descàrrega de les bateries es va decidir fer 3 proves de
descàrrega amb diferents valors de resistència connectades entre les bornes de les bateries.
Analitzant el material disponible en el laboratori, es va decidir utilitzar una gran quantitat
de resistències en paral·lel per tal d’obtenir valors de resistència molt baixos amb la
possibilitat de dissipar una potència elevada. A continuació es pot veure l’inventari de
material seleccionat per a realitzar aquestes proves:
- 1 Oscil·loscopi Hantek 1008, amb connexió d’entrada del tipus BNC i connexió
de sortida USB per a la transmissió de dades a l’ordinador.
- 1 Atenuador x10 ja que l’entrada de l’oscil·loscopi està limitada a 40 V.
- 2 Regletes que s’usaran entre els cables de les bateries i els cables de connexió a
les resistències.
- 1 Unitat de resistència variable entre 14,3 Ω i 1370 Ω capaç de dissipar fins a 4 kW
de potència.
- 3 Unitats d’armaris grans de resistències trifàsiques variables , amb els següents
valors de resistència i corrent per a cada disposició:
Taula 1.19. Taula de característiques de l’armari gran
Switch
Position
Switch Resistance
()
Current
(A)
Power per
phase (W) S1 S2 S3 S4
1 0 0 0 0 - 0 0
2 1 0 0 0 220 1 220
3 0 1 0 0 110 2 440
4 1 1 0 0 73 3 660
5 0 0 1 0 55 4 880
6 1 0 1 0 44 5 1100
7 0 1 1 0 36.7 6 1320
8 1 1 1 0 31.4 7 1540
9 0 0 0 1 27.5 8 1760
10 1 0 0 1 24.4 9 1980
11 0 1 0 1 22 10 2200
12 1 1 0 1 20 11 2420
13 0 0 1 1 18.3 12 2640
14 1 0 1 1 16.9 13 2860
15 0 1 1 1 15.7 14 3080
16 1 1 1 1 14.7 15 3300
1 Memòria
26
- 4 Unitats d’armaris petits de resistències trifàsiques variables, amb els següents
valors de resistència i corrent per a cada disposició:
Taula 1.20. Taula de característiques de l’armari petit
Switch
Position Resistance () Current (A)
Power per
phase (W)
1 - - 0 0
2 440 0.5 110
3 220 1 220
4 147 1.5 330
5 110 2 440
6 88 2.5 550
7 73 3 660
8 63 3.5 770
9 55 4 880
10 49 4.5 990
11 44 5 1100
12 40 5.5 1210
13 37 6 1320
14 34 6.5 1430
15 31 7 1540
16 29 7.5 1650
Valores aproximados para 220 V por fase
Una vegada obtingudes aquestes dades de les resistències de les que es disposa, es
procedeix a analitzar els 3 valors possibles per a fer les descàrregues. Els valors proposats
són: el valor equivalent a una descàrrega màxima de 1C, el valor mínim de resistència
que es pot obtenir (disposant totes les resistències amb el mínim valor en paral·lel) i un
punt entremig.
Per a la descàrrega a 1C, el valor de resistència necessari, es pot calcular amb la següent
formula:
𝑅1𝐶 =𝑉𝑏𝑎𝑡
𝐼1𝐶=
110 𝑉
32,5 𝐴= 3,38 Ω (1.10)
Per tal d’assolir aquest valor amb les resistències existents, es proposa usar 5 resistències
dels armaris grans, estant aquests en configuració d’interruptors 1011, es a dir, amb un
valor de resistència de 16,9 Ω. D’aquesta manera:
𝑅𝑒𝑞1𝐶 =1
5 · (1𝑅)
=1
5 · (1
16,9 Ω)= 3,38 Ω (1.11)
1 Memòria
27
A continuació es pot veure l’esquema de connexions per aquesta prova de descàrrega.
També es pot veure en més detall a l’apartat 3.3 “Esquema de connexions per a la prova
de descarrega a 1C”.
Figura 1.21. Esquema de connexions per a la prova de descarrega a 1C
Per a la descàrrega al valor màxim de corrent possible amb les resistències de que es
disposa, el valor de resistència equivalent, es pot calcular amb la següent formula:
𝑅𝑒𝑞𝑚𝑎𝑥 =1
9 · (1
𝑅𝐴𝐺) + 12 · (
1𝑅𝐴𝑃
) + (1
𝑅𝑉)
𝑅𝑒𝑞𝑚𝑎𝑥 =1
9 · (1
14,7) + 12 · (1
29) + (1
14,3)= 0,91 Ω
(1.12)
Amb aquest valor de resistència, podem calcular el corrent de descàrrega màxim que
s’assolirà durant aquesta prova:
𝐼𝑚𝑎𝑥 =𝑉𝑏𝑎𝑡
𝑅𝑒𝑞𝑚𝑎𝑥=
110 𝑉
0,91 Ω= 120,56 𝐴 (1.13)
Aquest valor de corrent equival a una descàrrega a 3,71C. Aquesta prova serà anomenada
descàrrega a 3C5 per resumir. A continuació es pot veure l’esquema de connexions.
1 Memòria
28
També es pot veure en més detall a l’apartat 3.5 “Esquema de connexions per a la prova
de descarrega a 3C5”.
Figura 1.22. Esquema de connexions per a la prova de descarrega a 3C5
Finalment la tercera prova a realitzar serà la d’un punt entremig de les dues proves
anteriors, és per això que s’ha decidit fer la prova de descàrrega a 2,5C. La resistència
necessària per assolir aquest nivell de descàrrega es calcula amb la fórmula següent:
𝑅2𝐶5 =𝑉𝑏𝑎𝑡
𝐼2𝐶5=
110 𝑉
81,25 𝐴= 1,35 Ω (1.14)
Per tal d’assolir aquest valor amb les resistències existents, es proposa usar 6 resistències
dels armaris grans, estant aquests en configuració d’interruptors 1111, es a dir, amb un
valor de resistència de 14,7 Ω; 3 resistències dels armaris grans, estant aquests en
configuració d’interruptors 0111, es a dir, amb un valor de resistència de 15,7 Ω i 4
resistències dels armaris petits, estant aquests en configuració d’interruptors 1111, es a
dir, amb un valor de resistència de 29 Ω . D’aquesta manera:
𝑅𝑒𝑞2𝐶5 =1
6 · (1
𝑅𝐴𝐺1) + 3 · (
1𝑅𝐴𝐺2
) + 4 · (1
𝑅𝐴𝑃)
𝑅𝑒𝑞2𝐶5 =1
6 · (1
14,7 Ω) + 3 · (1
15,7 Ω) + 4 · (
129 Ω)
= 1,36 Ω
(1.15)
1 Memòria
29
A continuació es pot veure l’esquema de connexions per aquesta prova de descàrrega.
També es pot veure en més detall a l’apartat 3.4 “Esquema de connexions per a la prova
de descarrega a 2C5”.
Figura 1.23. Esquema de connexions per a la prova de descarrega a 2C5
1.8.3.2 Resultats obtinguts a les proves de descàrrega
Els resultats d’aquestes proves s’han obtingut a través d’un oscil·loscopi Hantek 1008,
que pot ser connectat directament a un ordinador per a realitzar l’extracció de dades.
Aquest oscil·loscopi es capaç de generar fitxers de text amb les dades obtingudes, fet que
fa que sigui molt fàcil exportar aquestes dades per a que siguin tractades en un full
d’Excel.
Després de realitzar la prova de descàrrega a 1C, es podia veure la següent senyal en la
pantalla de l’oscil·loscopi:
Figura 1.24. Dades de l’oscil·loscopi per a la descàrrega a 1C
1 Memòria
30
En generar el fitxer de text i exportar les dades al full de càlcul, es pot veure amb més
claredat la corba de descàrrega.
Figura 1.25. Gràfica de descàrrega a 1C
En aquest format, es poden extreure valors exactes de la corba, per exemple:
Taula 1.21. Valors obtinguts per a la descàrrega a 1C
Voltatge inicial 109,98 V
Voltatge final 72,39 V
Temps total de descàrrega 3060 s (51 min)
Resistència equivalent real 3,8 Ω
Descàrrega real 0C89
També es pot veure que la corba té una forma lineal en el primer tram, que compren del
0% al 80% del temps aproximadament. Després, es pot apreciar un colze en la corba i una
disminució molt més ràpida de la tensió, que té lloc en el 20% final de la corba de
descàrrega.
Podem seguir aquest mateix procediment d’anàlisis per a les altres proves de descàrrega.
En el cas de la descàrrega a 2C5, s’ha obtingut la següent visualització de senyal en la
pantalla de l’oscil·loscopi i la següent corba extreta del full d’Excel:
1 Memòria
31
Figura 1.26. Dades de l’oscil·loscopi per a la descàrrega a 2C5
Figura 1.27. Gràfica de descàrrega a 2C5
De la mateixa manera que en l’apartat anterior, es pot generar una taula amb les magnituds
representatives de la corba:
Taula 1.22. Valors obtinguts per a la descàrrega a 2C5
Voltatge inicial 110,17 V
Voltatge final 73,85 V
Temps total de descàrrega 1281 s (21 min i 21 s)
Resistència equivalent real 1,8 Ω
Descàrrega real 1C88
1 Memòria
32
Cal destacar que, a diferència del cas anterior, es pot apreciar com la corba mostra un
colze en el primer 5% del temps aproximadament i en la part restant de la corba, té un
comportament similar a l’anterior, es a dir, es manté lineal fins aproximadament el 80%
i després té el segon colze en l’últim 20%.
Finalment, en la prova de descàrrega a 3C5, s’han obtingut les següents dades a través de
l’oscil·loscopi:
Figura 1.28. Dades de l’oscil·loscopi per a la descàrrega a 3C5
Figura 1.29. Gràfica de descàrrega a 3C5
1 Memòria
33
Les magnituds representatives d’aquesta corba són les següents:
Taula 1.23. Valors obtinguts per a la descàrrega a 3C5
Voltatge inicial 110,56 V
Voltatge final 67,34 V
Temps total de descàrrega 873 s (14 min i 33 s)
Resistència equivalent real 1,35 Ω
Descàrrega real 2C5
En aquest cas, es poden apreciar unes distorsions considerables en la corba, tot i això, es
pot veure que segueix la mateixa tendència que l’anterior, es a dir presenta un colze que
mostra com es redueix la tensió molt ràpidament en el primer 10%, després té una etapa
que es podria aproximar com a lineal i, finalment, un altre colze en l’últim 20% de la
corba.
Si es converteix el domini del temps en estat de càrrega (SOC), es poden apreciar les
diferencies entre les corbes sobre una mateixa gràfica.
Figura 1.30. Gràfica de tensió respecte SOC
1.8.4 Parametrització del model matemàtic
En aquest apartat, es determinaran els paràmetres necessaris per al model matemàtic i es
comprovarà que els resultats obtinguts amb aquest model són vàlids. El model que es farà
servir és un equivalent de Thévenin de les bateries. Aquest tipus de model és molt senzill
però suficient per a l’obtenció de resultats vàlids.
1 Memòria
34
Els paràmetres necessaris per aquest model són:
• Capacitat de les bateries a plena càrrega.
• Resistència interna del conjunt de les bateries.
• Corba de tensió per a una descàrrega de 0C (Ocv)
Per tal de saber la capacitat de les bateries quan aquestes estan completament carregades
amb les condicions del carregador (110 V de tensió màxima), es pot observar el display
del mateix carregador quan aquest ha acabat amb la càrrega. La capacitat de les bateries
a plena càrrega és de 22.5 Ah.
Per tal de saber tant la resistència interna de les bateries com la corba Ocv, s’utilitzaran
les dades obtingudes en les proves al laboratori.
Primer, s’obté una aproximació polinòmica mitjançant la comanda polyfit de MatLab.
Aquesta comanda retorna els factors del polinomi del grau indicat, en aquest cas s’han
realitzat aproximacions de grau 4. A continuació es poden veure aquestes aproximacions
polinòmiques sobre les gràfiques obtingudes anteriorment. Cal remarcar que l’equació
representada sobre el gràfic no és exacta, ja que el programa Excel fa una aproximació
poc exacta.
Figura 1.31. Gràfica de l’aproximació polinòmica per a 1C
1 Memòria
35
Figura 1.32. Gràfica de l’aproximació polinòmica per a 2C5
Figura 1.33. Gràfica de l’aproximació polinòmica per a 3C5
Es pot veure que a les dues primeres gràfiques, gairebé no es veu la corba polinòmica,
mentre que a la tercera si, ja que aquesta té unes distorsions considerables.
1 Memòria
36
Un cop s’han obtingut les tres corbes polinòmiques, es procedeix a representar-les en una
gràfica per tal de fer una estimació de la corba Ocv mitjançant la comanda Intersección.eje
del programa Excel. Aquesta comanda s’ha utilitzat en 100 punts equidistants sobre la
magnitud SOC. A continuació es pot veure una gràfica amb les tres corbes polinòmiques
i l’aproximació de la corba Ocv:
Figura 1.34. Aproximacions polinòmiques per a diferents C
La corba groga d’aquesta gràfica equival a la corba Ocv que serà necessària per al model
matemàtic.
Per tal de calcular la resistència interna de les bateries, sabent que es farà servir un
equivalent de Thévenin com a model, es fan servir les següents fórmules:
𝑅𝑖𝑛 =(𝑂𝑐𝑣 − 𝑉𝑏𝑎𝑡)
𝐼 (1.16)
𝐼 =𝑉𝑏𝑎𝑡
𝑅 (1.17)
On:
• 𝑅𝑖𝑛: Resistència interna de les bateries
• 𝑉𝑏𝑎𝑡: Tensió de les bateries
• 𝐼 : Corrent de descàrrega
• 𝑅 : Resistència de descàrrega
1 Memòria
37
Si es substitueix la equació (1.17) en la equació (1.16), es pot obtenir una equació on
totes les variables són conegudes.
𝑅𝑖𝑛 =(𝑂𝑐𝑣 − 𝑉𝑏𝑎𝑡) · 𝑅
𝑉𝑏𝑎𝑡= 𝑅 · (
𝑂𝑐𝑣
𝑉𝑏𝑎𝑡− 1) (1.18)
Aquesta fórmula s’ha aplicat en les 3 corbes polinòmiques de les descàrregues en 100
punts de la magnitud SOC a cada una, per tant, s’han obtingut 300 valors de resistència
interna de les bateries. S’ha aplicat la mitja aritmètica dels 300 punts per tal d’estimar el
valor real de resistència interna de les bateries. El valor obtingut és de 0,1183 Ω.
Un cop s’han obtingut els valors de capacitat, resistència interna i corba Ocv, es procedeix
a la implementació d’aquests en el model equivalent. A continuació es pot veure el circuit
equivalent de Thévenin, dibuixat en el programa PSIM, utilitzat com a model matemàtic
de les bateries:
Figura 1.35. Circuit del model matemàtic equivalent
Per tal de comprovar la validesa de les dades resultants d’aquest model, s’han simulat les
corbes de descàrrega per als 3 casos que s’han provat al laboratori, per tal de comparar
els 3 tipus de gràfiques per a cada cas: la gràfica real de l’assaig al laboratori, la gràfica
de l’aproximació polinòmica i la gràfica generada pel programa PSIM amb aquest
equivalent de Thévenin.
OCV25C V ocv
22.5
Capacity
0.1183V Vbat
0
36001
0
V soc
VVr
BAT +
BAT -
SOC
1 initialSOC
V
i
1 Memòria
38
Figura 1.36. Comparació de les corbes per a descàrrega a 1C
Figura 1.37. Comparació de les corbes per a descàrrega a 2C5
1 Memòria
39
Figura 1.38. Comparació de les corbes per a descàrrega a 3C5
Com es pot veure en els tres casos, les corbes generades pel model matemàtic, son molt
semblants a les corbes reals i polinòmiques en gairebé tot el seu recorregut. Es pot
destacar que per als casos en que la descàrrega és major, la corba difereix lleugerament
en el primer colze, el que ocupa el primer 5-10% del SOC.
Un cop s’ha comprovat que el model matemàtic genera uns resultats vàlids, es poden fer
simulacions de descàrrega del les bateries a valors que no es podrien assolir en el
laboratori, tant pel material necessari per fer-les com per les restriccions dels components
utilitzats. A continuació es pot veure un exemple de les corbes de descàrrega de 1C a 10C
mitjançant els resultats del model equivalent.
Figura 1.39. Corbes de descàrrega per a 1-10C
2 Annexes
40
2 Annexes
2.1 Càlculs
La finalitat d’aquest apartat del present projecte és realitzar un model aproximat que
permeti aconseguir el valor d’energia que serà consumida durant la cursa amb un
determinat tipus de bateria.
Aquest estudi es pot realitzar per a diferents opcions fins a trobar la més adequada.
2.1.1 Perfil de velocitat-temps MotoGP
La realització d’aquest perfil es duu a terme realitzant un estudi d’una volta OnBoard en
el circuit de MotorLand Aragó.
El gràfic velocitat-temps té la següent forma:
Figura 2.1. Gràfic velocitat-temps MotoGP
2.1.2 Perfil de velocitat-temps de la EM-01
Una vegada s’ha obtingut el perfil de MotoGP s’estableix el perfil velocitat-temps de la
EM-01. Per tal de realitzar aquest pas s’utilitzaran els porgrames Excel i Matlab. El pimer
pas per obtenir aquest perfil és transformar el perfil velocitat-temps en un perfil velocitat
distància i, posteriorment, realitzar una reducció per tal d’obtenir una aproximació del
perfil velocitat-distància en el cas d’una Moto3, ja que aquest tipus de motocicletes són
molt semblants a la EM-01 en termes de potència, acceleració i velocitat punta.
Amb el programa Excel es calculen els punts de la distància a partir de la velocitat i el
temps aplicant la fórmula següent:
𝑥 = 𝑥𝑜 + ∑ ∆𝑥 = 𝑥𝑜 + (𝑡2 − 𝑡1) (𝑣1 + 𝑣2
2) (2.1)
0.00
10.00
20.00
30.00
40.00
50.00
60.00
70.00
80.00
90.00
100.00
1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61 65 69 73 77 81 85 89 93 97 101105
Velocitat(m/s) - Temps(s)
2 Annexes
41
Les dades obtingudes són:
%% Perfil Motorland Aragon MotoGP
punts=109; % Número de punts
vel_motogp=[79.17,79.17,80.28,65,50.83,38.89,28.33,23.89,26.11,33.89,4
1.67,42.22,42.78,45.56,53.33,56.11,45,41.39,41.11,47.22,54.44,58.61,55
,49.17,45.28,35,26.67,22.50,23.33,31.11,40.56,48.06,51.94,57.26,35,39.
17,28.61,24.72,23.89,30,38.89,50.28,58.33,53.33,45,31.94,26.67,26.39,2
3.06,19.44,20,25.83,35.83,44.17,43.89,41.94,40,39.72,42.78,46.94,55.28
,62.22,68.33,73.06,69.17,55,43.33,32.78,28.33,24.17,28.06,37.5,41.67,4
0,40.83,46.11,50.56,40.83,31.11,25.83,25.83,27.78,22.78,20.28,24.72,34
.44,45,54.44,63.89,70.83,77.78,81.11,86.11,89.17,91.94,93.61,93.61,93.
61,93.61,93.61,93.61,93.61,93.61,38.89,38.89,41.67,46.39,53.33];
dis_motogp=[39.6,39.6,119.3,191.9,249.9,294.7,328.3,354.4,379.4,409.4,
447.2,489.2,531.7,575.8,625.3,680,730.6,773.7,815,859.2,910,966.5,1023
.3,1075.4,1122.6,1162.8,1193.6,1218.2,1241.1,1268.3,1304.2,1348.5,1398
.5,1453.1,1499.2,1536.2,1570.1,1596.8,1621.1,1648.1,1682.5,1727.1,1781
.4,1837.2,1886.4,1924.9,1954.2,1980.7,2005.4,2026.7,2046.4,2069.3,2100
.1,2140.1,2184.2,2227.1,2268.1,2307.9,2349.2,2394,2445.1,2503.9,2569.2
,2639.9,2711,2773.1,2822.2,2860.3,2890.8,2917.1,2943.2,2976,3015.6,305
6.4,3096.8,3140.3,3188.6,3234.3,3270.3,3298.7,3324.6,3351.4,3376.7,339
8.2,3420.7,3450.3,3490,3539.7,3598.9,3666.2,3740.6,3820,3903.6,3991.2,
4081.8,4164.6,4268.2,4361.8,4455.4,4549,4642.6,4736.2,4829.9,4896.1,49
35,4975.3,5019.3,5069.2];
Codi 2.1. Dades obtingudes de la conversió velocitat-temps en velocitat-distància
Per altra banda, la gràfica obtinguda és la següent:
Figura 2.2. Gràfic velocitat-distància MotoGP
Podem concloure que les dades obtingudes són realistes ja que segons l’organització de
MotoStudent la longitud del circuit és de 5.077,65 m.
Una vegada s’ha obtingut aquesta gràfica, amb el programa Matlab, s’aplica un factor de
reducció a la velocitat ja que el model de la EM-01 fa referència a una Moto3 i no a una
Moto GP.
0.00
10.00
20.00
30.00
40.00
50.00
60.00
70.00
80.00
90.00
100.00
39
.62
49
.93
54
.44
47
.25
75
.87
30
.68
59
.21
02
3.3
11
62
.81
24
1.1
13
48
.51
49
9.2
15
96
.81
68
2.5
18
37
.21
95
4.2
20
26
.72
10
0.1
22
27
.12
34
9.2
25
03
.92
71
1.0
28
60
.32
94
3.2
30
56
.43
18
8.6
32
98
.73
37
6.7
34
50
.33
59
8.9
38
20
.04
08
1.8
43
61
.84
64
2.6
48
96
.15
01
9.3
Velocitat(m/s) - Distancia(m)
2 Annexes
42
Una vegada fet aquest càlcul de reducció es pot aplicar la següent fórmula per obtenir, en
aquest cas, el temps a partir de la distància del circuit i la velocitat reduïda.
𝑡 = 𝑡𝑜 + ∑ ∆𝑡 = 𝑡𝑜 +𝑑2 − 𝑑1
(𝑣1 + 𝑣2
2 ) (2.2)
En les següents línies es pot observar el codi aplicat per tal d’obtenir la gràfica de partida
per a la simulació i obtenció de les dades d’energia:
%% Perfil Motorland Aragó Aproximat de EM-01
factor_reduccio=0.54 ; % None
dis_EM01= dis_motogp; % Vector en m
vel_EM01_mps= factor_reduccio*vel_motogp; % Vector en m/s
temps_EM01= zeros(size(vel_EM01_mps)); % Vector valors nuos
c=1;
temp_EM01(1)=0;
temps_EM01(2)=((dis_EM01(2))/(vel_EM01_mps(2)/2));
c=3;
while c<punts
temps_EM01(c)= temps_EM01(c-1)+((dis_EM01(c)-dis_EM01(c-1))/...
((vel_EM01_mps(c)+vel_EM01_mps(c-1))/2));
c=c+1;
end
Codi 2.2. Codi per aplicar el coeficient de reducció
La gràfica mostrada a continuació es l’obtinguda després d’aquesta simulació i s’utilitzarà
com a Input en el Simulink per a una volta.
Figura 2.3. Gràfic velocitat-distància EM-01
2 Annexes
43
2.1.3 Paràmetres definits
Es defineixen tots el paràmetres oportuns que s’utilitzaran posteriorment en el Simulink.
Primerament, el paràmetres del motor proporcionats per la competició.
%% Paràmetres Motor
pot_nom_W = 12e3; % [W]
pot_max_W = 17e3; % [W]
VA_V = 103.6; % [V]
V_motor = VA_V; % [V]
In = pot_nom_W/V_motor; % [A]
T_nom_Nm = 67; % [N·m]
rend = 0.92; % None
vel_nom_rpm = 3581; % [rpm]
vel_max_rpm = 8000; % [rpm]
Codi 2.3. Paràmetres del motor
Per altra banda els paràmetres de les bateries.
%% Paràmetres bateries
V_cela_nom_V = 3.7; % [V]
C_nom_Ah = 2.5; % [A·h]
R_cela_ohm = 25e-3; % [ohm]
R_bat_ohm = 53.85e3; % [ohm]
V_cela_min_V = 2.5; % [V]
I_max_disch_A = 20; % [A]
maxOutPower_W = 260*103.6; % [W]
maxInPower_W = -5387.2; % [W]
batteryFullEnergy_J = 12.132e6; % Dummy Value
Codi 2.4. Paràmetres de les bateries
També es defineixen els paràmetres mecànics de la motocicleta, que han sigut obinguts
pel departament de mecànica de l’equip URVoltageRacing.
%% Característiques mecàniques
dens_aire_kgm3 = 1.16; % [kg/m^3]
m_veh_vacio_kg = 117; % Massa en vacío [kg]
occupants = 1; % Default value
m_occ_kg = 65; % Masa estimada por ocupante[kg]
m_veh_kg = m_veh_vacio_kg +occupants*m_occ_kg; % Default value
AF_m2 = 0.405; % [m^2]
CD_Nkg = 0.494; % [N/kg]
g_ms2 = 9.80665; % [m/s^2]
C0 = 0.01; % None
C1_s2m2 = 0.00002; % [s^2/m^2]
radi_wh_m = 0.4318; % [m]
Codi 2.5. Paràmetres mecànics
2 Annexes
44
La relació pinyó-corona es pot obtenir a partir de la següent fórmula fixant com a velocitat
màxima 180 km/h.
𝜔𝑟 =𝑣𝑚à𝑥
𝑅𝑟 (2.3)
𝜔𝑟(𝑟𝑝𝑚) = 𝜔𝑟 ∗60
2𝜋 (2.4)
𝑁𝑔 =𝜔𝑚
𝜔𝑟(𝑟𝑝𝑚) (2.5)
Sent:
• 𝜔𝑟: velocitat angular de la roda en rad/s
• 𝑣𝑚à𝑥: velocitat màxima de la motocicleta
• 𝑅𝑟: Radi de la roda
• 𝜔𝑟(𝑟𝑝𝑚): velocitat angular de la roda en rpm
• 𝑁𝑔: Relació de transmissió
• 𝜔𝑚: velocitat angular màxima del motor
El codi aplicat ha sigut el següent:
%% Pinyó-Corona
omega_wh_rads = 50/radi_wh_m; % [rad/s]
omega_wh_rpm = omega_wh_rads*30/pi; % [rpm]
N_gears = vel_max_rpm/omega_wh_rpm; % None
Codi 2.6. Codi per al càlcul de la relació de transmissió
2.1.4 Codi de simulació
El següent codi mostra un menú per tal d’obtenir els resultats de les simulacions:
%% Run simulation of race
occupants = 1; % Default value
startingEnergy_J= batteryFullEnergy_J;
m_veh_kg = m_veh_vacio_kg + occupants*m_occ_kg; % Default value
cycleDuration=temps_EM01(108); % Duracio volta
NumOfLaps =1; % Num de voltes
simTime=cycleDuration*NumOfLaps; % Temps simulacio
Codi 2.7. Codi del menú de resultats
Menú abans de l’execució del fitxer .slx (referent al Simulink):
fprintf('\nStarting energy (full):\t%i J',startingEnergy_J);
fprintf('\n\n-----------------------------------------------------');
fprintf('\n\tRACE:\t \t%i LAPS EM-01 \t%i
occupant(s)',NumOfLaps,occupants);
fprintf('\n-------------------------------------------------------');
Codi 2.8. Codi de paràmetres anteriors a la simulació
2 Annexes
45
Les següents línies de codi mostren el temps que triga en executar-se el programa:
fprintf('\nRunning simulation...');
t1 = clock;
sim('simEM01.slx')
t2 = clock;
fprintf('\nTime elapsed: %f',etime(t2,t1))
time_min = batteryEnergy_J.time/60;
battery = batteryEnergy_J.signals.values;
Codi 2.9. Codi del temps de simulació
Una vegada executat el programa es mostraren diferents missatges al menú que fan
referencia a l’estat de les bateries i al consum de energia produït.
% Output values
% Distance
Total_distance= NumOfLaps*dis_EM01(108);
fprintf('\nTotal Distance:\t%.2f m\n',Total_distance);
% Energy
fprintf('\nMaximum energy for the race:\t%i J',Total_E);
fprintf('\t (%.2f %%)',100*Total_E/batteryFullEnergy_J);
remainingEnergy_J = batteryFullEnergy_J-Total_E;
fprintf('\nRemaining energy:\t%i J',remainingEnergy_J);
fprintf('\t(%.2f %%)',100*remainingEnergy_J/batteryFullEnergy_J);
if P_bat_max > maxOutPower_W
fprintf('\nFAIL! Battery can''t provide enough power ');
end
if P_bat_max > pot_max_W
fprintf('\nFAIL! Engine can''t provide enough power ');
end
if 100*remainingEnergy_J/batteryFullEnergy_J < 0
fprintf('\n\nERROR! You have run out of energy ')
else
if (100*remainingEnergy_J/batteryFullEnergy_J < 20)
fprintf('\n\nFAIL! You have less than 20%% of energy ')
else
fprintf('\n\n You made the race with enough energy ')
end
end
Codi 2.10. Codi de càlcul dels resultats finals
Per últim, s’executa una gràfica que mostra el comportament de descàrrega de la bateria:
%% Plots
%plot(time_h,battery)
plot(time_min,100*battery/batteryFullEnergy_J)
xlabel('Time (min)')
ylabel('Battery energy (%)')
title('Daily discharge profile')
grid on
Codi 2.11. Codi de creació de la gràfica
2 Annexes
46
2.1.5 Simulink
La programació realitzada en simulink és divideix en tres blocs:
• Mechanical Target: Descripció de les equacions oportunes per generar la
càrrega que haurà d’arrastrar el motor per generar el moviment desitjat.
• Engine: Definició del motor i de la energia total de la bateria.
• Power & Engine calcs: Resultats d’energia obtinguts.
Figura 2.4. Esquema dels blocs de la simulació
El bloc “Mechanical Engine” consta d’un subgrup anomenat “Vehicles dynamics” que té
com a principal funció recollir totes les dades que afectaran a l’hora de calcular la càrrega
que haurà de moure el motor.
Com a entrades del bloc està la velocitat del model EM-01.
Com a sortides es disposa de:
• Posició del model EM-01.
• Velocitat del model EM-01.
• Acceleració del model EM-01.
• Força de tracció.
A continuació es pot observar el contingut d’aquest bloc:
Figura 2.5. Esquema del subgrup “Vehicles Dynamics”
2 Annexes
47
Per tal de desenvolupar aquest bloc seran aplicades les següents fórmules:
• Posició:
𝑥 = 𝑥𝑜 + ∫ 𝑣(𝑡) ∗ 𝑑𝑡 (2.6)
• Acceleració:
𝑎 =Δ𝑣
Δ𝑡 (2.7)
• Força tracció: mitjançant la segona llei de Newton.
∑ 𝐹𝑡 − ∑ 𝐹𝑟 = 𝑚 ∗𝑑𝑣
𝑑𝑡 (2.8)
𝐹𝑡𝑟𝑎𝑐𝑐𝑖ó = 𝐹𝑟𝑜𝑙𝑙 + 𝐹𝑎𝑒𝑟𝑜 + 𝐹𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 (2.9)
Sent:
• 𝐹𝑟: Força de fregament amb el terra
• 𝐹𝑎: Força de fregament amb l’aire
• 𝐹𝑡𝑟: Força de tracció necessària
• 𝐹𝑡𝑜𝑡: Força exercida pel pes de la moto
Per altra banda, dins d’aquests blocs hi ha dos subgrups que fan referència a la força
resistent aerodinàmica (Aero_drag) i força resistent de rodament (Roll_resistance).
Aquestes forces són les més importants a l’hora de dificultar el moviment del vehicle i
que, per tant, augmenten el consum d’energia.
Seguidament s’explica de que s’encarrega cada part:
• Força resistent de rodament (Roll_resistance).
Aquesta força es presenta quan el cos roda sobre una superfície, deformant-se un
d’ells. Aquesta força és tangencial a la direcció del moviment i s’oposa al mateix. La fórmula aplicada és:
𝐹𝑟 = 𝑚 ∗ 𝑔 ∗ (𝐶0 + 𝐶1𝑣2) ∗ cos 𝛽 (2.10)
On:
− m: massa del vehicle tenint en compte el pes dels ocupants (kg).
− g: gravetat (m/s2)
2 Annexes
48
− C0, C1: coeficient de rodament
− v: velocitat (m/s)
− cos ꞵ: angle de la inclinació de la carretera.
Com en aquest cas no es te en compte la inclinació de la carretera, la fórmula és:
𝐹𝑟 = 𝑚 ∗ 𝑔 ∗ (𝐶0 + 𝐶1𝑣2) (2.11)
Per tant, el subgrup queda distribuït de la següent forma:
Figura 2.6. Esquema del subgrup “Roll_resistance”
• Força resistent aerodinàmica (Aero_drag):
Aquesta força es deguda al lliscament de l’aire amb la superfície equivalent frontal
del vehicle. La resistència es oposada a la velocitat.
𝐹𝑎 =1
2∗ 𝜌𝑎 ∗ 𝑣2 ∗ 𝐶𝐷 ∗ 𝐴𝐹 (2.12)
On:
− m: massa del vehicle tenint en compte el pes dels ocupants (kg).
− 𝜌𝑎: densitat (kg/m3)
− CD: Coeficient de resistència aerodinàmica (N/kg)
− AF: Àrea frontal equivalent (m2)
− v: velocitat (m/s)
Per tant, el subgrup queda distribuït de la següent forma:
Figura 2.7. Esquema del subgrup “Aero_drag”
2 Annexes
49
Per tal d’establir les entrades del bloc de “Motor” s’han d’aplicar unes fórmules en les
que s’utilitzen les sortides del bloc “Vehicles dynamics”:
𝜔𝑚 =1
𝑅𝑟∗ 𝑁𝑔 (2.13)
𝑇𝑚𝑒𝑐 = 𝑅𝑟 ∗1
𝑁𝑔 (2.14)
Sent:
• 𝑅𝑟: Radi de la roda
• 𝑇𝑚𝑒𝑐: Parell mecànic
• 𝑁𝑔: Relació de transmissió
• 𝜔𝑚: velocitat angular màxima del motor
A continuació, es descriu el bloc de “Engine” que conté el subgrup del “Motor”. Aquest
bloc només és una aproximació del funcionament del motor síncron d’imants permanents
utilitzat.
Les equacions emprades per a realitzar la simulació han sigut:
• Corrent instantània que demana la càrrega:
𝑃𝑚𝑒𝑐 = 𝜔𝑚 ∗ 𝑇𝑚𝑒𝑐 → 𝐼𝑖 =𝜔𝑚 ∗ 𝑇𝑚𝑒𝑐
𝑉𝑚 (2.15)
Sent:
- 𝑃𝑚𝑒𝑐: Potència mecànica
- 𝑇𝑚𝑒𝑐: Parell mecànic
- 𝐼𝑖: Intensitat instantània
- 𝜔𝑚: velocitat angular màxima del motor
- 𝐼𝑚: Voltatge d’alimentació del motor
• Índex de càrrega:
𝐶 =𝐼𝑖
𝐼𝑁 (2.16)
Sent:
- 𝐶: Índex de càrrega
- 𝐼𝑁: Intensitat nominal
- 𝐼𝑖: Intensitat instantània
2 Annexes
50
Per tant, el subgrup “Motor” queda distribuït de la següent forma:
Figura 2.8. Esquema del subgrup “Motor”
Per altra banda, el bloc “fcn” conté la següent fórmula per tal d’obtenir la potència
instantània elèctrica.
𝑃𝑒𝑙𝑒𝑐 = √3 ∗ 𝐶 ∗ 𝑉 ∗ 𝐼𝑁 ∗ cos(𝜑) (2.17)
El codi emprat és:
function Pinst_motor = fcn(C,V,In,rend)
Pinst_motor = sqrt(3)*C*V*In*rend;
Codi 2.12. Codi del bloc “fcn”
2.1.6 Resultats
Com a resultats obtinguts d’aquest estudi es poden observar diferents marcs que
s’exposen a continuació.
En totes les simulacions apareix una finestra que conté un petit menú que, abans de
produir-se la simulació, mostra les següents dades:
• Starting energy: Energia que contenen les bateries amb una càrrega completa.
• RACE:
− Nombre de voltes a realitzar.
− Nombre del vehicle.
− Nombre de ocupants.
Figura 2.9. Menú inicial de la simulació
2 Annexes
51
• Resultats de la cursa (5 voltes)
En aquest apartat s’ha realitzat la simulació de les voltes que es faran durant la
cursa (un total de 5 voltes).
Figura 2.10. Menú de resultats de la simulació per a 5 voltes
Les dades obtingudes han sigut:
• Time elapsed: temps que triga en realitzar la simulació. Aquesta variable
s’ha afegit degut a que els temps de simulació era bastant elevat i es volia
comprovar si era possible minimitzar-lo.
• Total distance: distancia total que ha recorregut la EM-01.
• Maximun energy for the race: indica la quantitat d’energia consumida
durant el recorregut. En aquest cas es pot observar que és d’un 52,28 %.
• Remaining energy: La energia de la que es disposa després de la cursa.
• Missatges que indiquen si ha sigut òptim el consum realitzat.
Una vegada finalitzada la simulació es poden obtenir les següents gràfiques:
• Gràfica de la descàrrega produïda en funció del temps.
• Gràfica amb les dades mecàniques obtingudes en el subgrup “Vehicles
dynamics”.
• Gràfica de l’evolució de la velocitat en km/h.
2 Annexes
52
Figura 2.11. Gràfica SOC-temps per a 5 voltes
Figura 2.12. Gràfica de les dades del bloc “Vehicles Dynamics” per a 5 voltes
Figura 2.13. Gràfica velocitat-temps per a 5 voltes
2 Annexes
53
• Resultat de totes les voltes
Per altra banda s’ha realitzat un anàlisi amb un total de 7 voltes per tal de comprovar
que la EM-01 podrà recórrer totes les voltes indicades per competició, amb suficient
energia.
Figura 2.14. Menú de resultats per a la simulació de 7 voltes
Els resultats obtinguts indiquen que la EM-01 acabaria la carrera amb suficient
energia.
Finalment, la gràfica de descàrrega indica que es tardarà aproximadament 24 minuts
en realitzar tot el recorregut.
Figura 2.15. Gràfica SOC-temps per a 7 voltes
2 Annexes
54
• Altres missatges resultants de la simulació
Altres missatges que es poden observar segons les voltes que s’introdueixen a la
simulació són els següents:
Figura 2.16. Menú de resultats per a la simulació de 9 voltes
Figura 2.17. Menú de resultats per a la simulació de 10 voltes
Motor
7
15
Fuse
HV
HV N.O. Line
Contactor
BATTERY
LV N.O.
Contactor
3 4
LV N.C.
Contactor
Rdis
2
To charge
BMS
IMD
TSMS
switch
Shutdown
(SETA)
GLVMS
Switch
Fuse
LV
DC/DC
Fuse
LV
22
To HV
To chasis
(2 separate lines)
To HV
LED HV
connected
DC/DC
5 V
Control
6
Temperature
sensors
14 V
Rpot
Fuse
LV
Fuse
LV
DC/AC
4 Plec de condicions
60
4 Plec de condicions
4.1 Condicions tècniques
Com a condicions tècniques a tenir en compte durant el disseny i execució del projecte,
es troba la normativa de la competició MotoStudent. A continuació s’inclou l’apartat de
la normativa que regula la part elèctrica de la motocicleta (“Reglamento para la V
Competición Internacional MotoStudent - Sección D: Reglamento Técnico Específico
para la Categoría MotoStudent Electric”).
4.1.1 Definiciones y aspectos generales
4.1.1.1 Alta Tensión (High Voltage - HV), Baja Tensión (Low Voltage - LV), Voltios
de Corriente Continua (Volts Direct Current – VDC).
Cualquier circuito con una diferencia de potencial mayor que 40 VDC, formará parte del
sistema de Alta Tensión (HV) del vehículo. Por debajo de esa tensión, será considerado
como parte del sistema de Baja Tensión (LV).
D.1.1.1 La tensión máxima permitida del sistema HV será de 110 VDC (baterías a plena
carga).
4.1.1.2 Sistema de Alta Tensión (High Voltage System – HVS)
El sistema de Alta Tensión (HVS) está formado por todas las piezas eléctricas que forman
parte del motor, controlador, acumulador o de cualquier otra parte eléctrica conectada a
ellos. El sistema HVS será un sistema de Alta Tensión (HV) según especifica el Art. D.1.1
del presente Reglamento.
D.1.2.1 El HVS debe estar aislado eléctricamente del chasis o masa del vehículo.
D.1.2.2 El acumulador del sistema HVS, se define como cualquier celda, batería o
supercondensador (o conjunto de ellos), capaz de almacenar energía eléctrica para el
sistema de propulsión eléctrica.
D.1.2.3 El HVS deberá intercalar un dispositivo controlador entre el motor y el
acumulador, de tal forma que no sea posible la conexión directa entre motor y
acumulador.
D.1.2.4 Es obligatoria la inclusión de etiquetas de aviso de peligro claramente visibles en
las carcasas o zonas cercanas a los componentes que trabajen con Alta Tensión (HV), en
las que se incluya el texto “HIGH VOLTAGE”.
Figura 4.1. Etiqueta d’avís d’alta tensió
4 Plec de condicions
61
D.1.2.5 Se deberá instalar un display en el cuadro de instrumentos que indique en todo
momento la tensión entre bornes del sistema HVS. El Cuerpo Técnico de la Organización
podrá realizar mediciones aleatorias para comprovar si el valor mostrado en el display se
corresponde con el valor real de la tensión del HVS.
4.1.1.3 Sistema de Baja Tensión LV conectado a masa (Ground Low Voltaje System –
GLVS)
El sistema LV conectado a masa (GLVS) está formado por cualquier circuito o parte
eléctrica del vehículo (chasis) y que por lo tanto no forma parte del HVS.
D.1.3.1 El GLVS deberá ser un sistema LV, es decir, de una tensión inferior a 40 VDC.
4.1.1.4 Aislamiento entre HVS y GLVS
D.1.4.1 El HVS y el sistema GLVS estarán aislados galvánicamente.
D.1.4.2 En el caso de uso de un convertidor DC/DC, éste deberá cumplir con esa
especificación.
4.1.2 Motor eléctrico y demanda de potencia
La Organización suministrará un motor eléctrico común para los equipos inscritos en la
categoría MotoStudent Electric.
4.1.2.1 Precintado
Es obligatorio el uso del motor proporcionado por la Organización. El motor se entregará
precintado por la Organización y queda totalmente prohibida su manipulación. Cualquier
precinto roto o deteriorado será causa de no conformidad técnica.
En caso de avería o mal funcionamiento de alguna parte interna a la que no se permita el
acceso el equipo deberá comunicarlo a la Organización, que tomará las medidas
oportunas.
D.2.2 Características del motor eléctrico. La información técnica sobre el motor será
remitida por la Organización a todos los equipos inscritos en la Competición.
D.2.2.1 El motor suministrado por la Organización no puede ser modificado
estructuralmente, ni siquiera en sus anclajes, carcasas exteriores o sistema de
refrigeración/ventilación.
4.1.2.2 Regeneración de energía
Se permite la generación de energía usando el motor como generador en las frenadas.
4.1.2.3 Potenciómetro acelerador
Es obligatoria la inclusión de un potenciómetro acelerador comandado desde el puño de
la moto en el semimanillar derecho. La señal de este potenciómetro deberá servir para
configurar la demanda de par o velocidad al motor.
D.2.4.1 Se permite configurar el freno motor con el mismo potenciómetro, mapeándolo
en un tramo por debajo del tramo de aceleración.
4 Plec de condicions
62
4.1.3 Almacenamiento de energía
4.1.3.1 Sistemas de acumulación permitidos
Se permitirán como sistemas de acumulación de energía cualquier tipo de batería,
exceptuando las baterías de sal fundida (baterías térmicas) y las pilas de combustible.
D.3.1.1 Se permite el uso de supercondensadores.
D.3.1.2 La tensión suministrada de las baterías será, de un máximo de 110 VDC con el
acumulador totalmente cargado, tal y como describe el Art.D.1.1.
D.3.1.3 Se deberá presentar a la Organización el esquema de conexión utilizado (celdas
en serie y en paralelo).
4.1.3.2 Contenedor de baterías
Todas las celdas de batería y supercondensadores que formen parte del acumulador
deberán instalarse en el interior de un contenedor o cárter de baterías.
D.3.2.1 Se permite el uso de varios contenedores de baterías. Cada uno de ellos deberá
cumplir las prescripciones exigidas para el caso de contenedor de baterías único.
D.3.2.2 Si el contenedor de baterías no es fácilmente accesible, la Organización podrá
requerir en cualquier momento fotografías de la disposición y montaje de éste.
D.3.2.3 Será obligatoria la entrega de una descripción detallada del sistema de
acumulación, antes de proceder a su montaje. Asimismo, también será obligatoria la
entrega de fotografías de las diferentes fases del montaje del mismo, mostrando la
totalidad de los componentes utilizados. El incumplimiento de alguno de estos dos
requisitos podrá implicar la exclusión del prototipo para la Fase MS2 de la Competición.
(Ver Art.D.13.1.1)
4.1.3.3 Configuración eléctrica del acumulador
D.3.3.1 Si el contenedor está fabricado en un material conductor de la electricidad, los
bornes de las celdas o supercondensadores deberán estar correctamente protegidos y
aislados con un material eléctricamente aislante.
D.3.3.2 Si el contenedor está fabricado en un material conductor de la electricidad
(metales, fibra de carbono, etc.), el cuerpo de las celdas no podrá estar directamente en
contacto con la pared interior del cárter, debiéndose colocar un material aislante. Las
celdas prismáticas de carcasa rígida aislante quedan excluidas de esta prescripción.
D.3.3.3 Cada contenedor deberá incluir en su interior al menos un fusible, cuya intensidad
nominal esté por debajo del poder de corte del contactor.
D.3.3.4 Cada contenedor deberá incluir, al menos, un contactor de línea de tipo
normalmente abierto, instalado uno en el borne positivo del acumulador.
D.3.3.5 El cierre del contactor de línea, y por lo tanto la presencia de Alta Tensión (HV)
a la salida del acumulador, deberá quedar señalizado a través de una señal luminosa de
color rojo ubicada en el dashboard, según las pautas indicadas en el Art. D.10.1.1.
D.3.3.6 No se permite la unión directa entre bornes de celdas por medio de soldadura. Sí
se permite la soldadura indirecta a través de un material conductor (placas, pletinas,
cables, hilo fusible). Sí se permite la soldadura de los conductores del BMS a los bornes.
4 Plec de condicions
63
Figura 4.2. Esquema de soldadura correcta i incorrecta
4.1.3.4 Configuración mecánica del acumulador
D.3.4.1 Los contenedores de baterías deberán construirse a partir de un material
mecánicamente resistente e instalarse anclados correctamente al chasis.
D.3.4.2 El contenedor de baterías podrá formar parte del chasis de la moto, siempre que
cumpla con las condiciones de rigidez y resistencia apropiadas para ello.
D.3.4.3 Los contenedores de baterías que no formen parte del chasis deberán estar
protegidos contra impactos laterales por el propio chasis de la moto.
D.3.4.4 Las celdas deberán estar apropiadamente protegidas y fijadas ante cualquier
desplazamiento relativo (horizontal y vertical) en el interior del contenedor.
D.3.4.5 Únicamente se permiten orificios de comunicación entre el interior y el exterior
del contenedor para el paso de los cables conductores correctamente aislados y para la
refrigeración y ventilación.
D.3.4.6 Las aberturas de ventilación no podrán ocupar un lateral completo del contenedor.
D.3.4.7 Las aberturas de ventilación deberán incluir algún tipo de elemento filtrante, para
evitar la posible entrada de polvo, partículas y líquidos al interior del contenedor.
D.3.4.8 Si un contenedor estuviera completamente sellado de manera estanca, se deberá
incluir una válvula de escape para impedir que la concentración de gases alcance una
presión crítica.
D.3.4.9 Se permite el uso o adaptación de contenedores o cárter comerciales, siempre y
cuando cumplan con las características impuestas en el presente artículo.
4 Plec de condicions
64
4.1.3.5 Sistema de Gestión de Baterías (Battery Management System - BMS)
D.3.5.1 Es obligatoria la instalación de un sistema de gestión de baterías (BMS).
D.3.5.2 El BMS deberá leer la tensión de cada celda, para mantener las celdas dentro de
los límites de tensión indicados por el fabricante.
D.3.5.3 El sistema BMS deberá leer la temperatura de las celdas en su punto más caliente
a través de un sensor de temperatura compatible. Será obligatorio leer la temperatura de,
al menos, 4 celdas instaladas, siendo al menos dos de ellas, las correspondientes a las
zonas que se prevé que se alcancen mayores temperaturas.
D.3.5.4 En el caso de utilización de un sistema pasivo de balanceo o equilibrado de celdas
(no obligatorio), deberán utilizarse resistencias capaces de disipar la energía
correspondiente al balanceo, de tal manera que, durante el periodo de balanceo, no se
supere nunca la temperatura indicada por el fabricante de la resistencia (o del BMS) y que
no afecte a las celdas de batería o circuitos impresos cercanos.
D.3.5.5 Para mejorar la velocidad de balanceo, se permite la activación de la refrigeración
artificial del contenedor de baterías durante el proceso de balanceo.
D.3.5.6 El sistema BMS deberá desactivar la tracción del vehículo en el caso de
descargarse la tensión de una de las celdas hasta la tensión mínima crítica o superarse la
temperatura máxima crítica de la celda, según los valores indicados por el fabricante. Esta
desactivación obligatoria deberá ser puntual con la apertura del contactor del acumulador
de baterías. (Ver esquema del Art. D.6.1.2).
D.3.5.7 Aparte de las condiciones expuestas en el Art.D.3.5.6, se permite limitar
progresivamente la potencia eléctrica entregada al motor hasta ser igual a cero en el punto
de tensión crítico de la celda o temperatura máxima de la celda.
D.3.5.8 El sistema BMS deberá asimismo desactivar el sistema de recarga cuando se
superen los niveles máximos de tensión o temperatura de celda. Esta desactivación podrá
ser progresiva y/o puntual.
4.1.4 Controlador
4.1.4.1 Controlador motor o variador motor
Se entiende por controlador motor o variador motor como el dispositivo hardware que
controla la velocidad y el par de un motor eléctrico.
El controlador forma parte del HVS y puede integrar una parte del GLVS.
D.4.1.1 Se permite la utilización de cualquier tipo de controlador comercial.
D.4.1.2 Se permite el desarrollo propio del controlador, o la adaptación de cualquier
dispositivo comercial.
D.4.1.3 Los componentes de hardware serán compatibles con los valores de tensión e
intensidad de trabajo.
D.4.1.4 El controlador deberá cumplir todas las prescripciones que le puedan afectar del
presente Reglamento Técnico.
4 Plec de condicions
65
4.1.4.2 Software de control
El software de control del motor es de configuración libre, pudiendo utilizarse tanto
herramientas de software comerciales como de desarrollo propio.
D.4.2.1 El mapa de gestión del sistema de propulsión es de configuración libre.
D.4.2.2 Se permite la implementación de distintos mapas de gestión.
4.1.5 Generalidades del sistema de alta tensión (HVS)
4.1.5.1 Separación del HVS y GLVS
D.5.1.1 Los sistemas HVS y GLVS deben estar separados físicamente.
D.5.1.2 No podrá haber ningún contacto entre el HVS y el chasis del vehículo o cualquier
parte metálica expuesta al exterior.
D.5.1.3 Si alguna parte o pieza del HVS y del GLVS han de estar juntos en el interior de
un contenedor, deberán respetar la separación mínima indicada en la tabla adjunta, salvo
en los casos excepcionales descritos en el Art. D.5.1.4 y Art. D.5.1.5:
Taula 4.1. Separació mínima entre components segons tensió.
Tensión HVS Distancia de separación
< 100 VDC 10 mm
> 100 VDC 20 mm
D.5.1.4 Las distancias reflejadas en el Art. D.5.1.3 no serán de aplicación obligatoria
siempre que los componentes del HVS y GLVS estén separados por una barrera aislante
a la humedad, que cumpla un grado de resistencia a la temperatura superior a 150 ºC.
D.5.1.5 En el caso de que ciertos componentes pertenecientes al HVS y GLVS se instalen
en una misma placa base, se colocarán en zonas claramente diferenciadas y marcadas a
tal efecto sobre la placa. La separación entre ambas será de al menos, 6,4 mm sobre
superficie, 3,2 mm a través del aire y de 2 mm si están bajo recubrimiento (estas distancias
pueden no respetarse para el caso de optoacopladores cuya tensión nominal sea igual o
mayor que la tensión del HVS).
4.1.5.2 Posicionamiento del sistema HVS
Todos los componentes del sistema HVS deben estar contenidas dentro de una estructura
reforzada que garantice su integridad ante un accidente.
D.5.2.1 El chasis de la moto podrá ser considerado como estructura protectora del sistema
HVS, siempre que por su diseño y construcción proteja completamente al sistema en caso
de accidente y siempre y cuando se cumplan las prescripciones indicadas en el Art. D.3.4.
4.1.5.3 Puesta a masa
Todas las partes metálicas del vehículo que puedan llegar a conducir la electricidad por
estar a menos de 100 mm del HVS o GLVS deben conectarse a la masa de la moto.
4.1.5.4 Aislamiento y cableado
Todos los componentes del sistema HVS deben estar debidamente aislados y protegidos
contra contactos directos.
4 Plec de condicions
66
D.5.4.1 Se deberá garantizar la protección del sistema HVS, de tal forma que sea
imposible alcanzar las conexiones del HVS con una sonda cilíndrica de 100 mm de
longitud y 6 mm de diámetro.
D.5.4.2 Las conexiones del HVS deben estar encapsuladas por componentes aislantes.
D.5.4.3 Los cables o conductores pertenecientes al sistema HVS deberán ser no
combustibles grado UL-94 V0, FAR25 o equivalente.
4.1.5.5 Circuito de precarga
Es obligatoria la instalación de un circuito de precarga antes de que cierre el contactor del
acumulador.
D.5.5.1 El nivel mínimo de precarga debe llegar a un 90% de la tensión real del
acumulador, y/o 10 V de máxima diferencia de tensión entre bornes.
D.5.5.2 Al abrirse el circuito de desconexión descrito en el Art.D.6.1 debe abrirse también
el circuito de precarga, de tal manera que una nueva maniobra de activación de dicho
circuito de desconexión conlleve siempre previamente la maniobra de precarga.
4.1.5.6 Aviso de activación del HVS
Se instalará un avisador de luz roja, que se mantendrá encendido cuando el HVS esté
activado, es decir, cuando el contactor del acumulador esté cerrado.
4.1.6 Sistemas y circuitos de desconexión
4.1.6.1 Circuito de desconexión del HVS
El circuito de desconexión gestiona el cierre y apertura del contactor de línea.
D.6.1.1 El circuito de desconexión constará de al menos:
- Un Interruptor General del Sistema de Tracción (Tractive System Master Switch -
TSMS).
- Un Interruptor de Emergencia.
- Un vigilante de aislamiento (Insulation monitoring device - IMD).
- El sistema de desconexión gestionado por el BMS.
D.6.1.2 El circuito de desconexión deberá atenerse a uno de los siguientes esquemas:
- Circuito de desconexión con contactor controlado directamente por el circuito de
desconexión:
4 Plec de condicions
67
Figura 4.3. Esquema de contactor controlat directament pel circuit de desconnexió
- Circuito de desconexión con contactor controlado directamente por el controlador:
Figura 4.4. Esquema de contactors controlats directament per l’inversor
D.6.1.3 En el caso de que la bobina de los contactores del acumulador de baterías esté
controlada directamente por el controlador motor (o por otro dispositivo), entonces el
circuito de desconexión deberá garantizar el apagado del controlador (o del
correspondiente dispositivo) y por consiguiente el apagado de la bobina del contactor,
quedando garantizada su apertura, tal y como se indica en el esquema D.6.1.2.
4 Plec de condicions
68
D.6.1.4 Una vez abierto el circuito de desconexión (contactor abierto) por la actuación de
cualquiera de los dispositivos previstos (TSMS, Interruptor de Emergencia, BMS o IMD)
el sistema quedará en estado “no listo para conducir”, y será necesario que el piloto lo
reactive manual y voluntariamente (p.e. reiniciando el controlador), antes de que el
circuito de desconexión vuelva a cerrarse.
4.1.6.2 Desconexión del sistema GLVS
Para garantizar el encendido y apagado independiente del sistema GLVS, deberá
colocarse un Interruptor General del sistema de Baja Tensión (GLVMS).
4.1.6.3 Tipo de interruptores
D.6.3.1 El/los interruptores/es de emergencia deberán ser de tipo seta de color rojo con
accionamiento “pulsar para abrir y girar para cerrar”.
Figura 4.5. Exemple de polsador d’emergència
D.6.3.2 El TSMS será del tipo rotatorio.
4.1.6.4 Desactivación del convertidor DC/DC
D.6.4.1 En el caso de utilizar un convertidor DC/DC como fuente de energía LV, se
deberá garantizar la desconexión completa del convertidor para evitar autoconsumos.
4.1.6.5 Dispositivo Vigilante de Aislamiento (Insulation Monitoring Device - IMD)
La Organización suministrará dentro del Kit MotoStudent un vigilante de aislamiento
(IMD) BENDER para garantizar el correcto aislamiento eléctrico entre el HVS y el chasis
del prototipo.
D.6.5.1 La instalación de este Dispositivo Vigilante de Aislamiento es obligatoria.
D.6.5.2 El correcto funcionamiento del Dispositivo Vigilante de Aislamiento será
comprovado durante las Verificaciones Técnicas, tal y como se indica en el Art. E.5.1 del
presente Reglamento.
4 Plec de condicions
69
4.1.7 Fusibles
4.1.7.1 Fusibles HV
El circuito del lado HV deberá estar protegido por al menos un fusible, según las
condiciones indicadas en el Art. D.3.3.3
D.7.1.1 La corriente nominal del fusible estará por debajo de la corriente de cortocircuito
calculada, y por el encima de la corriente máxima de servicio.
D.7.1.2 Si se colocan varias bancadas de celdas en paralelo, cada una de estas bancadas
deberá estar protegida con su fusible independiente. D.7.1.3 El fusible o fusibles
deberán instalarse en el interior del contenedor o cárter de baterías.
4.1.7.2 Fusibles GLVS
Todos los circuitos del lado GLV deberán tener colocado un fusible que proteja el
conductor y el dispositivo al que alimenta, evitando que se alcancen las corrientes
máximas admisibles por estos.
4.1.8 Recarga de acumuladores
4.1.8.1 Cargadores
D.8.1.1 Se permiten todo tipo de cargadores cuya potencia nominal sea menor o igual de
22 kW nominales (máximo 32 Amperios nominales en configuración trifásica de lado
red).
D.8.1.2 Quedan permitidas las configuraciones serie o paralelo de diferentes cargadores
siempre que la suma total de las potencias unitarias de los cargadores no supere la
potencia indicada en el Art.D.8.1.1.
D.8.1.3 El cargador deberá contar con su correspondiente conductor de masa
correctamente conectado a la carcasa del cargador.
4.1.8.2 Conexión a red
La conexión a la red podrá ser del tipo monofásica (230 VAC, 50 Hz) o trifásica (400
VAC, 50 Hz).
D.8.2.1 Es obligatoria la conexión del conductor de masa a la base de enchufe.
4.1.8.3 Conexión a la moto
La conexión entre el cargador y la moto deberá cumplir unas condiciones mínimas de
seguridad.
D.8.3.1 El conector de carga situado en la moto deberá disponer de un sistema de cierre
manual o automático.
D.8.3.2 Los conductores del conector de recarga presente en la moto, deberán quedar
inaccesibles cuando el conector esté cerrado.
D.8.3.3 El conector de carga la moto tendrá que cumplir un grado de estanqueidad IP65
cuando se encuentre cerrado.
4 Plec de condicions
70
D.8.3.4 El conector de carga deberá situarse en una zona protegida de la moto ante
posibles caídas, contactos o proyecciones.
4.1.8.4 Operación de recarga
El proceso de recarga de acumuladores deberá realizarse de manera segura.
D.8.4.1 Durante la operación de recarga de la moto durante el Evento final será obligatoria
la presencia en todo momento de al menos un miembro del equipo que conozca al detalle
la maniobra de recarga.
D.8.4.2 El integrante del equipo encargado de la operación de recarga deberá estar
preparado para afrontar cualquier tipo de actuación durante la recarga (desconexión
manual, desactivación, etc.) para aislar el vehículo de la red ante cualquier eventualidad.
D.8.4.3 Un extintor de incendios apto para la extinción del fuego eléctrico (agente extintor
de CO2 o similar) deberá disponerse a menos de dos metros de la moto durante la
maniobra de recarga.
D.8.4.4 El sistema BMS deberá contar con un dispositivo de control de recarga tal y como
se describe en el Art. D.3.5.
4.1.9 Instalación general y cableado
4.1.9.1 Aislamiento general
D.9.1.1 Todos los cables conductores y conectores deberán ir recubiertos de material
aislante, a excepción de las conexiones directas a masa.
D.9.1.2 Las zonas, elementos y sistemas con alto riesgo eléctrico deberán ir correctamente
protegidas ante posibles contactos y manipulaciones. Se recomienda la instalación de
carcasas rígidas aislantes para una mayor protección.
4.1.9.2 Dimensionado
D.9.2.1 Todos los cables conductores y conectores deberán dimensionarse correctamente
en base a los niveles de corriente solicitados.
4.1.9.3 Protección contra la humedad
D.9.3.1 Se deberá procurar que los componentes del sistema de propulsión estén
altamente protegidos contra la humedad. Se recomienda un grado de protección IP65.
4.1.9.4 Cableado
D.9.4.1 La longitud de los cables deberá ser la justa, por lo que se prohíbe enrollar la
longitud de cable sobrante.
D.9.4.2 Se deberá evitar, en la medida de lo posible, el paso de la instalación eléctrica por
posibles puntos calientes.
D.9.4.3 La instalación eléctrica deberá estar perfectamente integrada en el conjunto de la
moto, no dejando distancias mayores a 15cm de cableado sin sujetar.
D.9.4.4 Se deberán tener en cuenta y evitar las posibles interferencias que pueda presentar
la instalación eléctrica con cualquier sistema mecánico de la moto, en todo el rango
posible de geometrías (durante todo el recorrido de dirección, suspensiones, etc.).
4 Plec de condicions
71
4.1.10 Control y mandos
4.1.10.1 Cuadro de instrumentos
El cuadro de instrumentos o Dashboard deberá ser perfectamente visible por el piloto en
posición de pilotaje.
D.10.1.1 El cuadro de instrumentos deberá incluir un avisador luminoso de color rojo,
que deberá encenderse cuando el Sistema de Alta Tensión HVS esté activado, tal y como
se indica en el Art. D.5.6.
D.10.1.2 El cuadro de instrumentos deberá contar con un display que indique en todo
momento la tensión entre bornes del sistema HVS, tal y como indica el Art. D.1.2.5.
4.1.10.2 Elementos de control
D.10.2.1 El piloto deberá ser capaz de activar, reactivar o resetear por completo el sistema
de propulsión eléctrica sin ayuda de otras personas y sin necesidad de bajarse de la moto,
desde la posición standard de pilotaje.
4.1.10.3 Seta de emergencia
El presente artículo afecta a la seta o setas de emergencia para la desconexión, descrita
en el Art. D.6.1 del presente Reglamento.
D.10.3.1 La seta de emergencia deberá instalarse en un lugar protegido ante una caída o
contacto accidental del piloto, pero a la vez accesible y reconocible por el Cuerpo de
Comisarios de pista.
D.10.3.2 La seta de emergencia no podrá instalarse sobre ningún componente susceptible
de un desmontaje rápido, como por ejemplo el carenado. Preferiblemente se deberán
instalar sobre soportes fijados al chasis.
D.10.3.3 Si se estima la instalación de la seta de emergencia en la zona lateral de la moto,
se deberán incluir entonces dos setas, una en cada lateral.
D.10.3.4 La seta o setas de emergencia instaladas deberán ser de color rojo.
5 Amidaments
72
5 Amidaments
5.1 Acumulador de bateries i estació de càrrega
Nº Ut Descripció Amidament
1.1 Ut Cel·les de bateria de 3,7 V i 2,5 Ah, que connectades en configuració
28S13P, formaran l’element d’alimentació del circuit elèctric.
Total Ut : 364.00
1.2 Ut Sensors de temperatura que es disposaran a l’interior de l’acumulador de
bateries.
Total Ut : 4.00
1.3 Ut Element de seguretat de les bateries, que controla la correcta càrrega i
descàrrega, així com la intensitat de sortida de l’acumulador de bateries.
Total Ut : 1.00
1.4 Ut Fusible de protecció conra sobreintensitats instal·lat a la sortida
d’alimentació positiva de l’acumulador de bateries
Total Ut : 1.00
1.5 Ut Estació de càrrega de bateries, amb entrada 220/230Vac 50 Hz
Total Ut : 1.00
5 Amidaments
73
5.2 Elements del circuit de HV
Nº Ut Descripció Amidament
2.1 Ut Inversor i controlador d’interconnexió entre les bateries i el motor
Total Ut : 1.00
2.2 Ut Contactor de línia controlat per l’inversor per habilitar/deshabilitar la
connexió de les bateries al circuit HVS
Total Ut : 1.00
2.3 Ut Convertidor DC/DC que genera el nivell de tensió del circuit GLVS
(13,8 V) a partir del circuit HVS
Total Ut : 1.00
2.4 Ut LED vermell per indicar que el circuit HVS està activat i resistència de
dissipació del circuit HVS quan aquest es desconnecta de les bateries
Total Ut : 1.00
5 Amidaments
74
5.3 Elements de seguretat
Nº Ut Descripció Amidament
3.1 Ut Interruptor general del sistema de tracció (TSMS)
Total Ut : 1.00
3.2 Ut Interruptor general del sistema de baixa tensió connectat a massa
(GLVMS)
Total Ut : 1.00
3.3 Ut Interruptor d’emergència de color vermell del tipus prémer per obrir, girar
per tancar
Total Ut : 1.00
3.4 Ut Fusibles del circuit GLVS
Total Ut : 4.00
3.5 Ut MOSFET de polarització dels contactors i díodes en antiparal·lel amb les
bobines dels contactors
Total Ut : 1.00
6 Pressupost
75
6 Pressupost
6.1 JUSTIFICACIÓ DE PREUS
6.1.1 Acumulador de bateries i estació de càrrega
Codi Ut Descripció Total
1.1 Ut Cel·les de bateria de 3,7 V i 2,5 Ah, que connectades en configuració
28S13P, formaran l’element d’alimentació del circuit elèctric
1 Ut Cel·la de bateria de Ió-Liti, model
INR18650-25R
7.12 € 7.12 €
Preu total per Ut 7.12 €
1.2 Ut Sensors de temperatura que es disposaran a l’interior de l’acumulador
de bateries
1 Ut Sensor de temperatura, model
PT1002.0X5.0,B
2.06 € 2.06 €
1 m Cable d’alimentació positiva i negativa del
sensor 1.5mm2
0.15 € 0.15 €
0.5 m Cable de lectura del sensor 1.5mm2 0.15 € 0.08 €
Preu total per Ut 2.29 €
1.3 Ut Element de seguretat de les bateries, que controla la correcta càrrega
i descàrrega, així com la intensitat de sortida de l’acumulador de
bateries
1 Ut BMS 28S-100A corrent màxima de 260 A 110.00 € 110.00 €
Preu total per Ut 110.00 €
1.4 Ut Fusible de protecció conra sobreintensitats instal·lat a la sortida
d’alimentació positiva de l’acumulador de bateries
1 Ut Fusible amb corrent de tall 200 A 62.06 € 62.06 €
2 Ut Terminal de connexió cable-fusible 2.17 € 4.34 €
Preu total per Ut 66.40 €
1.5 Ut Estació de càrrega de bateries, amb entrada 220/230Vac 50 Hz
1 Ut ZIVAN NG3 Battery Charger 783.75 € 783.75 €
2 Ut Connector plug free HNG 2P single row 2.34 € 4.68 €
2 m Cable interconnexió entre carregador i
acumulador de bateries 16 mm2
1.015 € 2.03 €
Preu total per Ut 790.46 €
6 Pressupost
76
6.1.2 Elements del circuit de HV
Codi Ut Descripció Total
2.1 Ut Inversor i controlador d’interconnexió entre les bateries i el motor
1 Ut Play and Drive SEVCON Controller,
Gen4
1,239.00 € 1,239.00 €
Preu total per Ut 1.239.00 €
2.2 Ut Contactor de línia controlat per l’inversor per habilitar/deshabilitar la
connexió de les bateries al circuit HVS
1 Ut Play and Drive ALBRIGHT Line
contactor SU280b-10XXp
99.40 € 99.40 €
Preu total per Ut 99.40 €
2.3 Ut Convertidor DC/DC que genera el nivell de tensió del circuit GLVS
(13,8 V) a partir del circuit HVS
1 Ut Play and Drive SEVCON DC/DC
converter
280.00 € 280.00 €
Preu total per Ut 280.00 €
2.4 Ut LED vermell per indicar que el circuit HVS està activat i resistència
de dissipació del circuit HVS quan aquest es desconnecta de les
bateries
1 Ut Resistència de 2 kΩ amb capacitat de
dissipació de 10 W, Xicon 280-CR10-
2.0K-RC
0.85 € 0.85 €
1 Ut Díode LED de color vermell 0.46 € 0.46 €
1 Ut Contactor Forma C (NT+NO) TE
Connectivity V23700-C0001-A408
51.53 € 51.53 €
Preu total per Ut 52.84 €
6 Pressupost
77
6.1.3 Elements de seguretat
Codi Ut Descripció Total
3.1 Ut Interruptor general del sistema de tracció (TSMS)
1 Ut Interruptor TSMS Omron A165W-A2MR-
24D-1
40.29 € 40.29 €
1 m Cable de connexió de 1.5mm2 0.15 € 0.15 €
Preu total per Ut 40.44 €
3.2 Ut Interruptor general del sistema de baixa tensió connectat a massa
(GLVMS)
1 Ut Interruptor GLVMS Omron A165W-
A2MR-24D-1
40.29 € 40.29 €
1 m Cable de connexió de 1.5mm2 0.15 € 0.15 €
Preu total per Ut 40.44 €
3.3 Ut Interruptor d’emergència de color vermell del tipus prémer per obrir,
girar per tancar
1 Ut Interruptor d’emergència Omron A165E-02 15.88 € 15.88 €
1 m Cable de connexió de 1.5mm2 0.15 € 0.15 €
Preu total per Ut 16.03 €
3.4 Ut Fusibles col·locats a cada línia del circuit GLVS
1 Ut Fusibles amb corrent de tall 30 A Littlefuse
0498030.M
1.85 € 1.85 €
1 m Cable de connexió de 1.5mm2 0.15 € 0.15 €
Preu total per Ut 2.00 €
3.5 Ut MOSFET de polarització dels contactors i díodes en antiparal·lel amb
les bobines dels contactors
1 Ut MOSFET NDFPD1N150CG 1.57 € 1.57 €
3 Ut Díodes en antiparal·lel RFN10TF6SFHC9 1.28 € 3.84 €
3 m Cable de connexió de 1.5mm2 0.15 € 0.45 €
Preu total per Ut 5.86 €
6 Pressupost
78
6.2 PRESSUPOST
6.2.1 Pressupost parcial nº 1 Acumulador de bateries i estació de càrrega
Nº Ut Descripció Amidament Preu Import
1.1 Ut Cel·les de bateria de 3,7 V i 2,5 Ah, que connectades en configuració
28S13P, formaran l’element d’alimentació del circuit elèctric.
Total Ut : 364.00 7.12 2,589.86
1.2 Ut Sensors de temperatura que es disposaran a l’interior de l’acumulador de
bateries.
Total Ut : 4.00 2.83 11.30
1.3 Ut Element de seguretat de les bateries, que controla la correcta càrrega i
descàrrega, així com la intensitat de sortida de l’acumulador de bateries.
Total Ut : 1.00 110.00 110.00
1.4 Ut Fusible de protecció conra sobreintensitats instal·lat a la sortida
d’alimentació positiva de l’acumulador de bateries.
Total Ut : 1.00 66.40 66.40
1.5 Ut Estació de càrrega de bateries, amb entrada 220/230Vac 50 Hz.
Total Ut : 1.00 790.46 790.46
Total Pressupost parcial nº 1 : 3,568.02
6 Pressupost
79
6.2.2 Pressupost parcial nº 2 Elements del circuit de HV
Nº Ut Descripció Amidament Preu Import
2.1 Ut Inversor i controlador d’interconnexió entre les bateries i el motor
Total Ut : 1.00 1,239.00 1,239.00
2.2 Ut Contactor de línia controlat per l’inversor per habilitar/deshabilitar la
connexió de les bateries al circuit HVS
Total Ut : 1.00 99.40 99.40
2.3 Ut Convertidor DC/DC que genera el nivell de tensió del circuit GLVS (13,8 V)
a partir del circuit HVS
Total Ut : 1.00 280.00 280.00
2.4 Ut LED vermell per indicar que el circuit HVS està activat i resistència de
dissipació del circuit HVS quan aquest es desconnecta de les bateries
Total Ut : 1.00 52.84 52.84
Total Pressupost parcial nº 2 : 1,670.44
6 Pressupost
80
6.2.3 Pressupost parcial nº 3 Elements de seguretat
Nº Ut Descripció Amidament Preu Import
3.1 Ut Interruptor general del sistema de tracció (TSMS)
Total Ut : 1.00 40.44 40.44
3.2 Ut Interruptor general del sistema de baixa tensió connectat a massa (GLVMS)
Total Ut : 1.00 40.44 40.44
3.3 Ut Interruptor d’emergència de color vermell del tipus prémer per obrir, girar
per tancar
Total Ut : 1.00 16.03 16.03
3.4 Ut Fusibles col·locats a cada línia del circuit GLVS
Total Ut : 4.00 2.00 8.00
3.5 Ut MOSFET de polarització dels contactors i díodes en antiparal·lel amb les
bobines dels contactors
Total Ut : 1.00 5.86 5.86
Total Pressupost parcial nº 3 : 110.77
6 Pressupost
81
6.3 RESUM DEL PRESSUPOST
Capítol Import (€)
1 Acumulador de bateries i estació de càrrega 3,568.02
2 Elements del circuit de HV 1,670.44
3 Elements de seguretat 110.70
Pressupost d'execució de material 5,349.16
21% 1,123.32
Pressupost d'execució de material amb IVA 6,472.48
Puja el pressupost a l'expressada quantitat de SIS MIL QUATRE-CENTS
SETANTA-DOS EUROS AMB QUARANTA-VUIT CÈNTIMS.