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.