Создаем электрический болид своими руками

Мы давно не писали о мире проекта Formula Student. Но наша команда Bauman Racing Team не бездельничала: мы сделали два новых болида и приняли участие в шести международных соревнованиях. А потом организаторы в Германии решили, что теперь в гонке будут участвовать только электрические болиды. Сдаваться мы не привыкли, поэтому начали активно изучать все тонкости, с чем нам помогла компания ЛАНИТ. Спешим похвастаться нашим опытом по созданию беспилотного болида на литий-ионном аккумуляторе, но обо всем по порядку.

С момента нашего последнего поста команда построила два новых гоночных болида с абсолютно разными силовыми установками: двигателем внутреннего сгорания (ДВС) с турбонагнетателем и атмосферным ДВС. Успели выступить на шести международных соревнованиях, а потом в мире Formula Student «грянул гром среди ясного неба», и организаторы соревнований в Германии представили свое видение того, как должен развиваться проект Formula Student и какие технологии теперь будут в основе технического регламента на болиды.

Наверное, вы уже догадались, но теперь на соревнованиях в Германии с 2023 года не будет класса болидов с ДВС. Остается только электрический класс. И надо сказать, что был шок не только для многих российских команд, но и для многих наших европейских коллег. Некоторые команды из Венгрии, Чехии, Польши начали предлагать альтернативные регламенты с введением гибридных технологий, так как, во-первых, во многих странах специалисты по ДВС очень востребованы, а во-вторых, переход на полностью электрический автомобиль требует немало ресурсов, а отсутствие опыта проектирования «электричек» может легко «вывести команду из игры».

Думаете на этом все? Нет, теперь с 2023 года вы не можете даже претендовать на максимальное количество баллов, если не проедете дисциплину “Ускорение” в полностью беспилотном режиме. То есть теперь необходимо строить полностью электрический беспилотный болид. И процесс его создания как раз выпадал на период пандемии, когда лаборатория и весь университет то открывался, то закрывался и уходил на удаленку. Однако за 2020-2021 годы мы смогли совместно с компанией ЛАНИТ окончательно развернуть сервер с Teamcenter, настроить его под собственные нужды. Также специалисты из ЛАНИТ провели для нас обучение по различным направлениям. Теперь вся команда работает на Siemens NX и создает болид по технологии нисходящего контекстного проектирования. Мы избавились от массы проблем с актуальностью данных и контролируемо увязали разные системы болида воедино. В этой статье мы, руководитель отдела мехатроники и инженер-конструктор, поделимся, как проектировали аккумуляторный контейнер для нашего нового беспилотного электрического болида.

О чем речь?

Bauman Racing Team строит свой первый полностью электрический гоночный автомобиль, который питается от аккумулятора, изготовленного на основе литий-ионных батарей.
Так как это первый электромобиль, разрабатываемый нашей командой, то принятые в процессе проектирования решения в первую очередь отражали наше стремление соответствовать регламенту соревнований Formula Student и обеспечивать достаточные характеристики для гарантированной работоспособности машины.
Разработка аккумуляторной батареи может быть представлена как сложный итерационный процесс. Так как мы не имели опыта в разработке подобных изделий, то довольно много времени ушло на определение компоновочной структуры и способа изготовления корпусной детали аккумулятора.
Регламентом определено много правил, которыми необходимо руководствоваться при проектировании аккумуляторной батареи. Используемый материал и его минимальная толщина, величины ускорений при перегрузках, которые определяют силы, приложенные к конструкции, - эти правила в основном перечислены в пункте касающегося проектирования tractive system. Их строгость обусловлена тем, что серьезные повреждения аккумуляторной батареи могут привести к возгоранию и угрозе безопасности пилота.
Существует также ряд правил, в которых акцент делается на безопасности аккумулятора при зарядке. Например, правила требуют, чтобы аккумулятор снимался с машины для зарядки и транспортировался в специальной тележке, оборудованной тормозным устройством, что позволяет быстро принять меры, в случае появления неполадок в ходе процесса транспортировки.
Также очень важными положениями являются те, что касаются энергоемкости, изоляции, заземления и прочим. Регламент устанавливает ограничения на максимальную мощность и напряжение батареи, всё используемое оборудование должно быть исправно и изолировано, ячейки необходимо разбить на так называемые stacks – компоновочные элементы, ограниченные по максимальному напряжению, а аккумулятор должен иметь минимум два изолирующих реле.

Выбор литий-ионных элементов.

Опыт европейских команд показывает, что использование литий-ионных элементов с химией Li(NiCoMn)O² является очень удачным решением и позволяет достичь наибольшей энергоёмкости вкупе с химической стабильностью, безопасностью применения и низким внутренним сопротивлением.
Нами было решено использовать литий-ионный строительный блок, который спроектирован специальным образом для соревнований Formula SAE. Применение этой системы довольно удобно, так как позволяет собирать блоки в более крупные. Также они оснащены датчиком температуры и имеют два резьбовых отверстия для удобства фиксации клемм. Таким образом, это гарантирует, что используемые нами батареи не вызовут нареканий со стороны регламента.

Расчёт энергоёмкости аккумуляторной батареи

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

Для данных начальных условий было проведено моделирование движения электромобиля по трассе FSAE 2012 Endurance Germany. Суммарное количество энергии, потребляемой за круг равное 1780 кДж. Таким образом, на 15 кругов трассы потребуется 7,4 кВтч. Однако данная модель позволяет рассчитывать только полезную мощность, то есть мощность без учёта потерь в передачах и дополнительного потреблении энергии другими системами.

Несмотря на это, данная модель позволяет получить не только первое представление о проектируемой системе автомобиля, но и достать оттуда скоростной профиль – функцию скорости автомобиля в зависимости от времени, что открывает дорогу к более сложным симуляциям.
Проектировать какое-либо изделие впервые – довольно нетривиальная задача. В этом смысле большое количество различных расчётов и симуляций помогают сформировать представление о работе системы.
В нашем случае было понятно, что спроектированная силовая установка, представляющая собой синхронный электродвигатель с аксиальным потоком Emrax 228, работающий под управлением контроллера BAMOCAR-PG-D3-700-400, позволяет реализовать рекуперацию мощности при торможении, что снижает совокупную ёмкость аккумуляторной батареи.
Вместе с этим необходимо учесть неизбежные потери энергии, возникающие в элементах трансмиссии на трение в передачах, разгон маховых масс и т.д. При этом сам электродвигатель работает с переменным КПД, что дополнительно усложняет расчёт.
Для учёта данных параметров использовалась математическая модель, построенная в Simcenter Amesim.

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

При этом для компонента аккумулятора автоматически генерируются все данные, необходимые для запуска симуляции, остаётся задать лишь архитектуру батареи (количество параллельно и последовательно соединенных элементов) и начальный уровень заряда.

Главным потребителем энергии в системе является синхронный электродвигатель с постоянными магнитами. В данной модели было решено не моделировать преобразование постоянного однофазного напряжения в переменное трехфазное, а потери на преобразование в инверторе заложить в виде коэффициента запаса.
Компонент электродвигателя позволяет автоматически получить характеристику его работы на всех возможных режимах и питающих напряжениях благодаря встроенному генератору данных. В этом случае используется специальный набор скалирующих коэффициентов, который вычисляет по продолжительной мощности, моменту, скорости и питающему напряжению все необходимые характеристики для данного типа двигателя.

Между электродвигателем и колёсами расположены элементы трансмиссии, передающие мощность на приводные колёса. Их модель должна отражать потери в цепной передаче и величину маховых масс, в которых аккумулируется энергия.

Модель автомобиля в свою очередь должна содержать массовые характеристики и момент инерции колёс, а также их радиус для корректного расчёта тяговых усилий.
Компонент, описывающий водителя, генерирует управляющие воздействия на основании загруженного скоростного профиля. В свою очередь, компонент VCU (Vehicle Control Unit) является вычислительным центром системы и преобразует данные сигнала скоростного профиля в управляющее воздействие на электродвигателе и корректирует его на основании информации, поступающей с датчика скорости. Тормозное усилие также вычисляется с его помощью, причём возможно реализовать рекуперативные режимы торможения по различным сценариям.

Построенная математическая модель является довольно точной для выполнения проектного расчёта, причём изменение основных параметров (масса машины, архитектура батареи, стратегия рекуперации) позволяет в короткие сроки оценить качество принятых решений и внести коррективы.
В результате мы использовали консервативную стратегию по рекуперации мощности, которая закладывала некоторый коэффициент запаса при расчёте ёмкости батареи.

Множество проведенных симуляций позволило установить ту компоновку аккумулятора, которая способна обеспечить требуемый запас не только на питание электродвигателя, но и на всю сопутствующую электронику. Из полученных графиков видно, что в конце трека у батареи остаётся порядка 22% запаса энергии или около 2,2 кВтч, необходимых для функционирования электроники и высокоуровневого компьютера. Итоговая конфигурация 144s6p имеет ёмкость 9,6 кВтч и максимальное напряжение 600 В.

Полученный результат можно сравнить с расчётами в OptimumLap. Опыт европейских команд показывает, что ёмкость аккумуляторной батареи обычно находится в диапазоне 7-10 кВтч, что соответствует нашим ожиданиям.

Конструктивное исполнение аккумуляторного контейнера

Полученные в результате расчётов данные позволяют принять решения о компоновке и конструкции аккумуляторной батареи.
Требования регламента соревнований устанавливают необходимость разделения аккумуляторного контейнера на стаки, в нашем случае это восемь стаков с конфигурацией 18s6p. Таким образом каждый стак состоит из 18 блоков Li1x6pVTC6 и устанавливается в свою секцию внутри аккумуляторного контейнера.

Для корпусных деталей разрешено использовать сталь, алюминий и композиты, для которых отдельно доказано соответствие стандартам огнеупорных материалов FAR25 или UL94. В случае же если контейнер металлический, то его необходимо покрыть изолирующим огнеупорным материалом с внутренней стороны.
Так как аккумулятор проектировался впервые, то было решено выполнить корпусную деталь и стаки из листового алюминия с использованием сварки. Несмотря на то, что сталь имеет лучшие показатели пластичности и свариваемости (что технологически делает её более удобной) её плотность практически в три раза выше, чем у алюминия при том, что предел прочности для некоторых алюминиевых сплавов может составлять 180-270 МПа. Из соображений снижения массы аккумулятора решение было сделано в пользу алюминия.
Для обеспечения простой собираемости мы решили использовать шип-пазы, а проверить данное решение удалось на печатном аналоге из пластика, а затем и сварном из алюминия.

Анализ показал, что сборка и последующая сварка по пазам существенно упрощает процесс изготовления, причём сплошной провар шва не обязателен для достижения достаточной прочности стака, а величина тепловых деформаций настолько незначительная ввиду жесткости конструкции, что не сказывается на основных присоединительных размерах.
Внутреннее пространство аккумулятора разграничено на две основные части. Первая представляет собой разделенные стенками секции для стаков, вторая вмещает в себя пространство для расположения реле, предохранителя, плат управления аккумулятором (inner compartment). Наличие большого количества ребер жесткости гарантирует то, что при сварке алюминия тепловые деформации не приведут к серьёзным изменениям геометрии. Внутренние стенки контейнера обклеены специальным скотчем из стекловолокна, выполненного по стандарту FAR25, а сам контейнер полностью герметичен в области стыков.

Сзади на корпусе вырезано два отверстия для вентиляции. Соответственно спереди выполнено 8 отверстий для подвода воздуха внутрь. Все отверстия, выполненные в контейнере защищены от попадания воды специальными воздуховодами.

Тепловой расчёт

В процессе проектирования область течения воздуха анализировалась методом конечных объёмов в среде Simcenter. В качестве начальных данных для расчётов использовались тесты, выполненные производителем при многократном заряде/разряде блока высокими токами.

Полученные данные позволили задать начальные условия для элементов теплового нагружения в модели, а мастер-модель контейнера позволила получить геометрию области течения. Самым сложным в решении данной задачи является задание параметров теплообмена в соответствии с условием Ньютона-Рихмана. Традиционная формулировка требует значение коэффициента теплоотдачи, которые можно найти у производителя.

Таким образом, для задачи были определены граничные условия третьего рода, а далее путём варьирования параметров объёмных расходов воздуха через контейнер определено стационарное состояние, удовлетворяющее требованиям по температурному диапазону функционирования батарей.

Расчёт позволил оптимизировать область течения, по возможности устранив элементы, препятствующие потоку, а также выбрать необходимые вентиляторы системы охлаждения.

Система управления батареями или BMS

Основная сложность при создании высоковольтных батарей с точки зрения электроники – это система балансировки ячеек, контроля температуры и тока аккумулятора, а также расчет SOC (State of charge) и SOH (State of health), которые позволяют в любой момент времени узнать заряд аккумулятора и его остаточную емкость. Такие системы носят название BMS (Battery Management System).
Как вы могли увидеть ранее, размер и форма стаков довольно специфичны: они узкие и длинные, а также имеют ограниченное пространство по высоте между аккумуляторами и крышкой аккумуляторного контейнера. Помимо этого, покупные BMS часто имеют избыточный функционал и высокую стоимость. Логично, что проще спроектировать собственную систему балансировки ячеек. Так, было решено поставить на каждый стак по одному Slave-устройству и соединить их все посредством CAN-шины с одним Master-устройством. Это решение позволяет легко вынимать стаки из аккумулятора, отсоединив всего пару разъемов CAN-шины и два силовых разъема, при этом не теряя возможности контроля аккумуляторов.
Проектирование Slave-устройства началось с выбора типа балансировки и ее скорости. Так как это наша первая BMS, то в ней было решено использовать самый простой метод балансировки – пассивный. Ток балансировки подобран таким образом, чтобы ячейка разряжалась на 1% за один час. Slave использует контроллер LTC для балансировки и измерения температуры ячеек и микроконтроллер STM32 для управления LTC и связи с Master-устройством.

Master выполняет несколько основных функций, которые диктуются регламентом и необходимостью нахождения параметров эквивалентной модели аккумулятора для подсчета его уровня заряда в любой момент времени под любой действующей нагрузкой. Основная задача – это считывание данных о заряде и температуре абсолютно всех ячеек аккумуляторной батареи и контроль зависания Slave-устройств. Массив данных обрабатывается, и на внешние устройства болида отправляются лишь параметры самых заряженных, самых разряженных и самых горячих ячеек. В последствии возможно подключить ноутбук к логгеру или телеметрии болида и сделать выводы о работе системы охлаждения, балансировки и всей BMS в целом.

Электроника аккумуляторного контейнера

Регламент соревнований требует возможность разрыва как положительной, так и отрицательной клеммы аккумуляторной батареи, а также наличие как минимум одного высоковольтного предохранителя. Помимо этого, необходимо разделять высоковольтную часть аккумуляторного контейнера и низковольтную электронику для минимизации шанса попадания высокого напряжения в низковольтную систему или же на раму болида. Эти ограничения привели к разделению всего аккумулятора на три части. Ранее было сказано, что аккумуляторы отделены от электроники стенками и изолирующим материалом, но электрическая часть также разделяется на два отсека. В одном находятся высоковольтные контакторы, предохранитель, резистор для предзаряда и другие элементы, на которых есть или может быть высокое напряжение, а в другом – BMS Master и различные устройства контроля работы контакторов, определения короткого замыкания между силовой и низковольтной системой и т.д.

Прочностные расчеты

В автомобиле аккумулятор расположен в задней части непосредственно за водителем и защитной стенкой.

Любая точка крепления аккумулятора к раме должна выдерживать нагрузку в 20 кН в любом направлении. На начальном этапе разработке мы решили использовать 10 точек крепления, однако конструктивные ограничения, с которыми пришлось столкнуться в результате проектирования, показали, что обеспечить высокую прочность кронштейнов не уж просто. Большее количество точек крепления приводило к серьёзному увеличению металлоемкости при изготовлении их из листового металла.
После некоторого количества итераций мы пришли к идее объединения нескольких находящихся рядом точек крепления в одну. Благодаря этому удалось серьезно увеличить суммарную длину сварных швов, жесткость и прочность кронштейнов, избежав серьёзного увеличения массы.

По результатам нескольких итераций в цепочке моделирование - расчёт была определена необходимая геометрия и толщина металла кронштейна, способного выдержать требуемые нагрузки.
Вместе с прочностью точек крепления исследовались напряжения в теле аккумуляторного контейнера. В качестве нагрузки были использованы восемь стаков ячеек с массой 6 кг каждая. Затем к корпусу были приложены соответствующие ускорения 40, 40 и 20 g в направлении осей X, Y и Z соответственно. За напряжения отказа в теле детали был принят предел текучести алюминия 180 МПа. Видно, что допустимый уровень напряжений во всем теле конструкции не превышает заданного, однако в ходе разработки неоднократно проводились изменения конструкции, с целью устранения потенциально опасных участков и обеспечения её равнопрочности.

Изготовление и результаты

На основании выполненных расчётов были приняты соответствующие конструкторские решения, а итоговый дизайн утверждён и отправлен на производство.

Имеющийся электронный макет позволил в кратчайшие сроки выпустить всю необходимую конструкторскую документацию, для изготовления необходимых деталей. Причём внесение правок происходило также быстро, так как изменение геометрии деталей автоматически обновляло ассоциативно связанные с ними чертежи. Принцип мастер-модели, используемый в NX, позволил серьёзно ускорить расчёты, выполнение конструкторских работ и выпуск чертежей на всех стадиях разработки.
Совокупно данный эффект выразился в том, на что мы не надеялись – аккумуляторный контейнер удалось собрать и сварить с первого раза! Конечно, здесь нельзя не упомянуть первоклассного сварщика Захара (передаём ему привет!), благодаря которому это стало возможным, но результат действительно нас порадовал. Всё это благодаря тому, что на стадии проработки удалось решить многие вопросы, связанные с технологической реализацией процесса сборки.

На данный момент команда полностью завершила конструкторские работы, а многие детали либо уже изготовлены, либо появятся в лаборатории в ближайшее время. Аккумуляторный контейнер и BMS ждут появления необходимых комплектующих для начала сборки и тестирования.
(В конце отдельное спасибо хотелось бы сказать коллективу производственного комплекса «Металлика Дизайн», который не только помог изготовить многие детали для аккумулятора, но и смог компетентно проконсультировать нас по многим вопросам технологии.)

Кстати, в этом году в главном здании МГТУ им. Баумана начнет свою работу Научно-образовательный центр ЛАНИТ. Это два компьютерных класса, преподавательская зона, места для консультаций и встреч. Ребята получат в наставники опытных экспертов в области проектирования изделий для различных отраслей экономики, а также узнают все о цифровизации этих процессов. Студенты приобретут практические знания, работая над разноплановыми проектами еще до выпуска из университета. А некоторые определятся раньше с будущей специализацией. Наша команда Bauman Racing Team, конечно, тоже воспользуется всеми возможностями центра.

Продолжайте следить за нами в VK. Появление первого в России беспилотного болида уже не горами.