03.01 Requisitos y pre concepto
# Requisitos y pre-concepto
La norma EV2.2.1 dicta que la potencia en la salida de la batería no debe exceder los 80 kW. Esta restricción es crucial en el diseño del inversor, ya que se prevé que el vehículo sea impulsado por un solo convertidor con esta potencia máxima. Por ende, el inversor debe estar dimensionado para manejar máximos de potencia de hasta 80 kW. Dado que se trata de un inversor doble, la asignación de potencia se divide en 40 kW por motor, aunque se podría necesitar más potencia en uno de los motores durante la aceleración en una curva. Esta decisión se toma pensando en el futuro del equipo, cuando implemente 4 motores, lo que dotaría al vehículo de hasta 160 kW de máximo. Sin embargo, en ese escenario, solo se podrían utilizar 80 kW repartidos entre las 4 ruedas, con un máximo de 40 kW por rueda.
La prueba donde se espera utilizar esta potencia máxima es la Acceleration, donde se podría requerir de los 80 kW durante un máximo de 10 segundos, siendo esta una aproximación muy conservadora. Por lo tanto, la potencia máxima queda como
Por otro lado, el requisito de potencia media es distinto. Sería un error dimensionar la potencia media del inversor como el valor máximo, ya que esto conduciría a un sobredimensionamiento excesivo de la refrigeración, los conductores, los conectores y los dispositivos de potencia. En cambio, se opta por determinar el valor medio de potencia requerido durante la prueba más exigente, la Endurance. En esta prueba, el vehículo debe recorrer aproximadamente 22 km, lo que equivale a alrededor de media hora de uso continuo. En la Endurance, considerar la frenada regenerativa es esencial, ya que aumenta el valor medio de la potencia total, sumándose a la potencia de tracción. Se ha calculado el valor medio de potencia a partir de una simulación de la Endurance que llega a máximos de 80 kW.
A continuación se muestra el cálculo del valor RMS de la potencia requerida, basado en los datos de potencia:
% Calcular el cuadrado de los valores de potencia
power_squared = power_time.Data.^2;
% Calcular el promedio de los valores cuadrados
mean_power_squared = mean(power_squared);
% Tomar la raíz cuadrada del promedio de los valores cuadrados para obtener
% el valor RMS
power_rms = sqrt(mean_power_squared);
power_rms =
2.3193e+04
Esto demuestra que el valor medio de potencia requerido es
considerablemente menor que el pico máximo, en concreto un
Cabe destacar que se está calculando la potencia aparente del convertidor, ya que la potencia activa y la reactiva se reparten en función del factor de potencia, que no es constante y depende de la planta mecánica y la situación del motor. La potencia activa es la que usa el motor para acelerar o frenar, y la reactiva la consume o suministra el bus de condensadores. Otra nota es que la simulación es poco realista puesto que utiliza picos de potencia máxima, cuando en realidad, en la prueba de la Endurance se suele limitar el valor de estos picos con tal de extender la autonomía.
Además, existe la norma EV4.1.1 The maximum permitted voltage that may occur between any two electrical connections is 600 V,DC and for motor controller/inverters internal low power control signals 630 V,DC., que impone el límite de 600 V para la tensión de bus máxima. Es de interés que el inversor esté dimensionado a esta tensión de funcionamiento, 600 V,DC, para permitir máxima flexibilidad con el diseño de la batería, por ejemplo. Al usar la tensión más alta posible, se obtiene un beneficio en la reducción de la corriente, que implica menos pérdidas en los conductores y permite reducir la sección de cables, pletinas, conectores y otros conductores.
Ya que la estrategia de modulación es SVPWM y la tensión máxima es de 600 V, la tensión alterna fase-neutro de un motor se expresa como
Sin embargo, la batería no estará constantemente a 600 V,DC, por lo que para poder entregar la potencia de 40 kW pico por inversor en un rango de tensiones adecuado se debería calcular la corriente con una tensión menor. Se escoge 450 V,DC como tensión mínima a partir de la cual se puede entregar la potencia máxima de 40 kW por inversor. Entonces, la corriente de fase de un motor queda
De la misma manera que con la potencia, se puede obtener el valor de corriente constante a una tensión menor, ya que el resultado será más restrictivo.
Iterando el cálculo de potencia, se puede ver que si se dimensiona a estas corrientes, las potencias máxima y constante calculadas a 600 V,DC son considerablemente mayores.
Puesto que se va a controlar un motor con posibilidad de operación en debilitamiento de campo, es necesario conocer la frecuencia eléctrica máxima que se va a tener que poder sintetizar. Este requisito va a dimensionar la velocidad de los lazos de control, y en última instancia, la frecuencia de conmutación. El motor en estudio tiene 3 pares de polos y una velocidad angular mecánica máxima de 20000 RPM. Por lo tanto, la frecuencia eléctrica máxima que se debe sintetizar se calcula
Dejando un poco de margen para la compatibilidad con motores de más polos, se escoge una frecuencia máxima de 1200 Hz. Para sintetizar esta frecuencia eléctrica con poca distorsión armónica, se debe escoger una frecuencia de conmutación al menos 30 veces superior, para tener como mínimo 30 pulsos por periodo a estas frecuencias.
Se debe considerar también que con una frecuencia de conmutación mayor,
las pérdidas de conmutación serán más grandes, pero el tamaño del bus de
condensadores será más pequeño. Además, el lazo de control debe ir a 40
kHz, con lo que el microcontrolador que lo implemente debe ser capaz de
ejecutar todos los cálculos en menos de
Es importante que el control sea mucho más rápido que la planta eléctrica, cuya constante de tiempo es de
La normativa de la Formula Student no impone normativas muy restrictivas, ya que la mayoría están enfocadas a la seguridad. Estas son las normas que afectarán al diseño del inversor:
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EV2.2.2 Regenerating energy is allowed and unrestricted. La posibilidad de regenerar energía implica que el inversor debe ser capaz de consignar par en el sentido opuesto a la velocidad de los motores para frenar, lo que tendrá un impacto fundamental en el diseño del control. La topología de VSI es bidireccional en sí misma.
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EV2.2.3 Wheels must not be spun in reverse. Podría impactar la lógica de control del inversor y en la adquisición de los sensores de posición para evitar la marcha atrás. Se pueden implementar algoritmos de dependencia de dirección para que ambos motores traccionen el vehículo en la misma dirección.
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EV3.1.1 TS enclosures, see EV1.1.2, must consist of either
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a grounded solid layer made of at least 0.5 mm thick electrically conductive material, aluminium or better, having a resistance below 300 m$\Omega$, measured with a current of 1 A, to LVS ground and able to continuously carry at least 10% of the TS accumulator main fuse current rating or
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be fully made out of electrically insulating materials having an isolation resistance of at least 2 M$\Omega$, measured with a voltage of 500 V. The enclosure must be rigid and must prevent possible mechanical penetrations. Protruding electrically conductive parts, such as fasteners or connectors, must follow EV3.1.2
The TSAC might use at least 0.9 mm thick steel layer as the grounded layer.
Tendrá efectos en el diseño del empaquetado del convertidor y en la selección de materiales para garantizar la seguridad eléctrica y mecánica del convertidor.
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EV3.2.5 All overcurrent protection devices that are part of the TS must not rely on programmable logic. The overcurrent protection function of motor controllers/inverters for the motor outputs may rely on programmable logic. Los dispositivos de protección contra sobrecorriente en el sistema de tracción para el motor pueden depender de lógica programable, lo que permite utilizar el sensado de corriente para garantizar esta protección.
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EV4.1.2 All components in the TS must be rated for the maximum TS voltage. The TS area of a PCB, see EV4.3.6, is considered as one component. Every input connected to the TS must be rated to the maximum TS voltage. Tendrá efectos en la selección de los componentes del circuito de potencia del inversor.
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EV4.1.3 All components must be rated for the maximum possible temperature that may occur during usage. Impactará en la selección de componentes que puedan manejar las temperaturas esperadas.
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EV4.2.1 TS enclosures, see EV1.1.2, must be labeled with (a) reasonably sized sticker(s) according to “ISO 7010-W012” (triangle with a black lightning bolt on a yellow background). The sticker must also contain the text “High Voltage” if the voltage is more than 60 V,DC or 50 VACRMS. Impacta en los requisitos de señalización y seguridad del empaquetado.
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EV4.3.1 The entire TS and LVS must be galvanically isolated, see EV1.2.1 and IN4.1.1. Afecta el diseño de la separación y el aislamiento entre ambos sistemas.
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EV4.3.4 Where both TS and LVS are present within an enclosure, they must be separated by barriers made of moisture-resistant insulating materials or maintain the following spacing through the air, or over a surface:
Voltage Spacing $U < 100 \text{V,DC}$ 10 mm $100 \text{V,DC} < U < 200 \text{V,DC}$ 20 mm $U > 200 \text{V,DC}$ 30 mm Voltage Spacing Requirements
Impacta en el diseño del empaquetado del inversor. Se usarán aislantes como el Nomex en caso de que no se pueda garantizar el espaciado por aire.
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EV4.3.6 If TS and LVS are on the same PCB, they must be on separate well-defined areas of the board, meeting the spacing requirements in table 5, each area clearly marked with “TS” or “LV”. The outline of the area required for spacing must be marked. “Conformal coating” refers to a coating insulator, solder resist is not a coating.
Voltage Over Surface Through Air (Cut in board) Conformal Coating 0 to 50 1.6 mm 1.6 mm 1.0 mm 50 to 150 6.4 mm 3.2 mm 2.0 mm 150 to 300 9.5 mm 6.4 mm 3.0 mm 300 to 600 12.7 mm 9.5 mm 4.0 mm Voltage Spacing Requirements
Tendrá efectos en el diseño de la PCB de potencia.
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EV4.5.3 The temperature rating for TS wiring, connections, and insulation must be appropriate for the expected surrounding temperatures but at least 85 $\si{\degreeCelsius}$. Influirá en la selección de cables y materiales aislantes.
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EV4.5.4 TS components and containers must be protected from moisture in the form of rain or puddles, see IN9. Impactará en el diseño de la caja.
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EV4.5.6 All TS wiring must be completed to professional standards with appropriately sized conductors and terminals and with adequate strain relief and protection from loosening due to vibration etc. Tendrá efectos en el diseño de las conexiones y terminales.
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EV4.5.10 Every TS connector outside of a housing must include a pilot contact/interlock line which is part of the SDC. Housings only used to avoid interlocks are prohibited. Impactará en el diseño de los conectores y sistemas de interconexión.
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EV4.5.11 All TS connections must be designed so that they use intentional current paths through conductors such as copper or aluminium and must not rely on steel bolts to be the primary conductor. Tendrá efectos en el diseño de las conexiones y la selección de materiales adecuados.
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EV4.5.12 All TS connections must not include compressible material such as plastic in the stack-up or as a fastener. FR-4 is allowed. Impactará en el diseño de las conexiones y la selección de materiales adecuados.
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EV4.5.13 TS connectors outside of TS enclosures must be designed in a way, that the TS cannot be activated, see EV4.11, if connected in any way other than the design intent configuration. Tendrá efectos en el diseño de los conectores y la seguridad.
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EV4.5.14 All electrical connections, including bolts, nuts, and other fasteners, in the high current path of the TS must be secured from unintentional loosening. Fasteners must use positive locking mechanisms, see T10.2, that are suitable for high temperatures, see EV4.5.3. Impactará en el diseño de los sistemas de fijación y bloqueo, especialmente en las conexiones de potencia.
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EV4.5.16 Soldered connections in the high current path are only allowed if all of the following are true:
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connections on PCBs
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the connected devices are not cells or wires
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the devices are additionally mechanically secured against loosening
Tendrá efectos en el diseño de las conexiones y el uso de soldaduras. El uso de sistemas alternativos de conexión en placa como el press-fit, facilita el cumplimiento de esta norma.
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EV4.9.1 If a discharge circuit is required to meet EV6.1.5, it must be designed to handle the maximum TS voltage permanently. After three subsequent discharges within 15 s in total, the discharge time specified in EV6.1.5 may be exceeded. Full discharging functionality must be given after a reasonable time with a deactivated discharge circuit. Se deberá integrar un circuito de descarga en el inversor que cumpla con estos requisitos.
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EV4.9.2 The discharge circuit must be wired in a way that it is always active whenever the SDC is open. Furthermore, the discharge circuit must be fail-safe such that it still discharges the intermediate circuit capacitors if the HVD has been opened or the TS accumulator is disconnected. Tendrá efectos en la implementación del circuito de descarga.
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EV2.2.1 EV4.10.2 The TSAL itself must have a red light, flashing continuously with a frequency between 2 Hz and 5 Hz and a duty cycle of 50%, active if and only if the LVS is active and the voltage across any DC-link capacitor exceeds
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60 V,DC or 50 VACRMS
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Half the nominal TS voltage
whichever is lower
Se deberá implementar esta detección.
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EV4.10.4 The mentioned voltage detection must be performed inside the respective TS enclosure. Obliga a situar la detección de alta tensión en el propio bus de condensadores.
Estas restricciones no solo definen los límites de diseño del inversor, sino que también influyen en la selección de componentes y la estrategia de control.
Para que el vehículo pueda controlar los motores mediante consignas de par, el convertidor debe incorporar un protocolo adecuado para ello. El escogido es el bus CAN, puesto que es un estándar en la industria de la automoción y todas las otras unidades electrónicas del monoplaza integran este protocolo para intercomunicarse. Realmente, lo único estrictamente necesario es recibir las consignas de par y una señal para habilitar o deshabilitar el funcionamiento. Además, el inversor deberá enviar todos los datos relevantes para su posterior análisis.
Con toda la información que se ha recopilado se pueden listar los requisitos más importantes del convertidor.
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Topología del convertidor: VSI doble.
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Potencia pico: 80 kW (
$2\cdot40$ kW). -
Potencia constante: 35 kW (
$2\cdot17.5$ kW). -
Tensión DC máxima: 600 V.
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Corriente de fase máxima: 80 A,RMS.
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Aislamiento galvánico entre TS y LVS.
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Detección de tensión.
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Circuito de descarga integrado.
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Interfaz por comunicación CAN.
Antes de entrar en el diseño detallado del convertidor, se realizaron algunos bocetos preliminares para visualizar la disposición de los componentes y planificar la distribución espacial. Estos bocetos iniciales sirven como punto de partida para el diseño final del empaquetado del inversor.
En estos dos primeros conceptos se explora el uso de una sola coldplate para refrigerar ambos semiconductores. Adicionalmente se propone refrigerar el bus de condensadores, aunque posteriormente se encuentra que no es necesario. Se ha optado por una configuración que separa claramente los módulos de potencia de la placa de control, facilitando así el mantenimiento y la disipación de calor.
En los bocetos posteriores, se ha refinado la disposición de los componentes para mejorar la accesibilidad y la eficiencia de refrigeración. La disposición de los conectores y la distribución de los conductores también se ha ajustado para optimizar la densidad de potencia y la eficiencia del diseño. Estos cambios reflejan un enfoque hacia un empaquetado más eficiente y funcional del inversor. De todas maneras, todavía presentan muchas complicaciones en el ensamblaje y fabricación de algunos elementos como la coldplate.
Estos bocetos iniciales proporcionan una idea visual de cómo se podría organizar el empaquetado del inversor. A medida que avanza el diseño, se realizarán ajustes a la vez que se encuentren limitaciones con los componentes específicos seleccionados y se hagan consideraciones eléctricas y térmicas que en este punto no se han tenido.
