АКАДЕМИЧЕСКАЯ ПРОГРАММА ЛАНИТ

Создаем электрический болид своими руками.

Мы давно не писали о мире проекта Formula Student. Но наша команда Bauman Racing Team не бездельничала: мы сделали два новых болида и приняли участие в шести международных соревнованиях. А потом организаторы в Германии решили, что теперь в гонке будут участвовать только электрические болиды. Сдаваться мы не привыкли, поэтому начали активно изучать все тонкости, с чем нам помогла компания ЛАНИТ. Спешим похвастаться нашим опытом по созданию беспилотного болида на литий-ионном аккумуляторе, но обо всем по порядку.
С момента нашего последнего поста команда построила два новых гоночных болида с абсолютно разными силовыми установками: двигателем внутреннего сгорания (ДВС) с турбонагнетателем и атмосферным ДВС. Успели выступить на шести международных соревнованиях, а потом в мире Formula Student «грянул гром среди ясного неба», и организаторы соревнований в Германии представили свое видение того, как должен развиваться проект Formula Student и какие технологии теперь будут в основе технического регламента на болиды.
Болид brt5 на трассе в Чехии (г. Мост)
Гоночный болид brt5 (2016-2017) c силовой установкой Yamaha WR450F дооснащенной турбокомпрессором
Гоночный болид brt7(2019-2020) c атмосферным двигателем WR450F
Наверное, вы уже догадались, но теперь на соревнованиях в Германии с 2023 года не будет класса болидов с ДВС. Остается только электрический класс. И надо сказать, что был шок не только для многих российских команд, но и для многих наших европейских коллег. Некоторые команды из Венгрии, Чехии, Польши начали предлагать альтернативные регламенты с введением гибридных технологий, так как, во-первых, во многих странах специалисты по ДВС очень востребованы, а во-вторых, переход на полностью электрический автомобиль требует немало ресурсов, а отсутствие опыта проектирования «электричек» может легко «вывести команду из игры».
Дорожная карта изменений на соревнованиях в Германии
Думаете на этом все? Нет, теперь с 2023 года вы не можете даже претендовать на максимальное количество баллов, если не проедете дисциплину “Ускорение” в полностью беспилотном режиме. То есть теперь необходимо строить полностью электрический беспилотный болид. И процесс его создания как раз выпадал на период пандемии, когда лаборатория и весь университет то открывался, то закрывался и уходил на удаленку. Однако за 2020-2021 годы мы смогли совместно с компанией ЛАНИТ окончательно развернуть сервер с Teamcenter, настроить его под собственные нужды. Также специалисты из ЛАНИТ провели для нас обучение по различным направлениям. Теперь вся команда работает на Siemens NX и создает болид по технологии нисходящего контекстного проектирования. Мы избавились от массы проблем с актуальностью данных и контролируемо увязали разные системы болида воедино. В этой статье мы, руководитель отдела мехатроники и инженер-конструктор, поделимся, как проектировали аккумуляторный контейнер для нашего нового беспилотного электрического болида.

О чем речь?

Bauman Racing Team строит свой первый полностью электрический гоночный автомобиль, который питается от аккумулятора, изготовленного на основе литий-ионных батарей.
Так как это первый электромобиль, разрабатываемый нашей командой, то принятые в процессе проектирования решения в первую очередь отражали наше стремление соответствовать регламенту соревнований Formula Student и обеспечивать достаточные характеристики для гарантированной работоспособности машины.

Разработка аккумуляторной батареи может быть представлена как сложный итерационный процесс. Так как мы не имели опыта в разработке подобных изделий, то довольно много времени ушло на определение компоновочной структуры и способа изготовления корпусной детали аккумулятора.

Регламентом определено много правил, которыми необходимо руководствоваться при проектировании аккумуляторной батареи. Используемый материал и его минимальная толщина, величины ускорений при перегрузках, которые определяют силы, приложенные к конструкции, - эти правила в основном перечислены в пункте касающегося проектирования tractive system. Их строгость обусловлена тем, что серьезные повреждения аккумуляторной батареи могут привести к возгоранию и угрозе безопасности пилота.

Существует также ряд правил, в которых акцент делается на безопасности аккумулятора при зарядке. Например, правила требуют, чтобы аккумулятор снимался с машины для зарядки и транспортировался в специальной тележке, оборудованной тормозным устройством, что позволяет быстро принять меры, в случае появления неполадок в ходе процесса транспортировки.

Также очень важными положениями являются те, что касаются энергоемкости, изоляции, заземления и прочим. Регламент устанавливает ограничения на максимальную мощность и напряжение батареи, всё используемое оборудование должно быть исправно и изолировано, ячейки необходимо разбить на так называемые stacks – компоновочные элементы, ограниченные по максимальному напряжению, а аккумулятор должен иметь минимум два изолирующих реле.

Выбор литий-ионных элементов.

Опыт европейских команд показывает, что использование литий-ионных элементов с химией Li(NiCoMn)O² является очень удачным решением и позволяет достичь наибольшей энергоёмкости вкупе с химической стабильностью, безопасностью применения и низким внутренним сопротивлением.

Нами было решено использовать литий-ионный строительный блок, который спроектирован специальным образом для соревнований Formula SAE. Применение этой системы довольно удобно, так как позволяет собирать блоки в более крупные. Также они оснащены датчиком температуры и имеют два резьбовых отверстия для удобства фиксации клемм. Таким образом, это гарантирует, что используемые нами батареи не вызовут нареканий со стороны регламента.

Li1x6pVTC6T литий-ионный строительный блок

Расчёт энергоёмкости аккумуляторной батареи

В рамках динамического этапа соревнований машина должна преодолеть испытание на выносливость – проехать трек длиной 22 км. Это условие является отправной точкой для расчёта ёмкости аккумуляторной батареи, ведь преодолевать большие расстояния болиду не требуется.
Чтобы получить оценку в первом приближении, мы выполнили расчёт модели движения будущего болида по одному кругу трассы Formula Student в программе OptimumLap. Несмотря на свою простоту (машина задается по минимальному числу таких параметров, как масса, коэффициенты сцепления, характеристика работы двигателя), эта модель позволила получить представление о том, какое количество энергии необходимо для работы силовой установки за всё время.

Исходные данные для расчёта электромобиля
Для данных начальных условий было проведено моделирование движения электромобиля по трассе FSAE 2012 Endurance Germany. Суммарное количество энергии, потребляемой за круг равное 1780 кДж. Таким образом, на 15 кругов трассы потребуется 7,4 кВтч. Однако данная модель позволяет рассчитывать только полезную мощность, то есть мощность без учёта потерь в передачах и дополнительного потреблении энергии другими системами.
Диаграмма потребляемой мощности двигателя в каждой точке трассы
есмотря на это, данная модель позволяет получить не только первое представление о проектируемой системе автомобиля, но и достать оттуда скоростной профиль – функцию скорости автомобиля в зависимости от времени, что открывает дорогу к более сложным симуляциям.
Проектировать какое-либо изделие впервые – довольно нетривиальная задача. В этом смысле большое количество различных расчётов и симуляций помогают сформировать представление о работе системы.
В нашем случае было понятно, что спроектированная силовая установка, представляющая собой синхронный электродвигатель с аксиальным потоком Emrax 228, работающий под управлением контроллера BAMOCAR-PG-D3-700-400, позволяет реализовать рекуперацию мощности при торможении, что снижает совокупную ёмкость аккумуляторной батареи.
Вместе с этим необходимо учесть неизбежные потери энергии, возникающие в элементах трансмиссии на трение в передачах, разгон маховых масс и т.д. При этом сам электродвигатель работает с переменным КПД, что дополнительно усложняет расчёт.
Для учёта данных параметров использовалась математическая модель, построенная в Simcenter Amesim.

Упрощённая модель силовой установки
Amesim позволяет собрать необходимую модель из готовых блоков-компонентов, содержащих уже запрограммированную математическую модель поведения того или иного узла.
Компонент аккумуляторной батареи позволяет импортировать данные характеристик разряда Li-ion элемента из изображения в datasheet в виде множества точек, лежащих на кривых и, таким образом, получить лучшую точность при построении модели его работы.

Импорт данных из pdf
При этом для компонента аккумулятора автоматически генерируются все данные, необходимые для запуска симуляции, остаётся задать лишь архитектуру батареи (количество параллельно и последовательно соединенных элементов) и начальный уровень заряда.
Параметризация аккумуляторной батареи
Главным потребителем энергии в системе является синхронный электродвигатель с постоянными магнитами. В данной модели было решено не моделировать преобразование постоянного однофазного напряжения в переменное трехфазное, а потери на преобразование в инверторе заложить в виде коэффициента запаса.
Компонент электродвигателя позволяет автоматически получить характеристику его работы на всех возможных режимах и питающих напряжениях благодаря встроенному генератору данных. В этом случае используется специальный набор скалирующих коэффициентов, который вычисляет по продолжительной мощности, моменту, скорости и питающему напряжению все необходимые характеристики для данного типа двигателя.

Сгенерированные данные для Emrax 228
Между электродвигателем и колёсами расположены элементы трансмиссии, передающие мощность на приводные колёса. Их модель должна отражать потери в цепной передаче и величину маховых масс, в которых аккумулируется энергия.
Упрощенное представление трансмиссии
Модель автомобиля в свою очередь должна содержать массовые характеристики и момент инерции колёс, а также их радиус для корректного расчёта тяговых усилий.
Компонент, описывающий водителя, генерирует управляющие воздействия на основании загруженного скоростного профиля. В свою очередь, компонент VCU (Vehicle Control Unit) является вычислительным центром системы и преобразует данные сигнала скоростного профиля в управляющее воздействие на электродвигателе и корректирует его на основании информации, поступающей с датчика скорости. Тормозное усилие также вычисляется с его помощью, причём возможно реализовать рекуперативные режимы торможения по различным сценариям.

Скоростной профиль машины за круг
Стратегии рекуперативного торможения