Pruebas de rendimiento del coche de carreras eléctrico para estudiantes de fórmula

Uni Maribor Grand Prix Engineering es un proyecto estudiantil bajo la mentoría de la Facultad de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Maribor. Somos un equipo de jóvenes adultos aspirantes con la misma pasión por el automovilismo y la innovación. Con la ayuda de la facultad y nuestros patrocinadores, logramos desarrollar y fabricar nuevos coches de carreras cada año.

En 2024, emprendimos un viaje para innovar y adoptar tecnología sostenible con nuestro primer coche eléctrico de Formula Student. El suave zumbido del motor eléctrico y el impulso hacia un futuro más verde han unido a nuestro equipo en esta nueva aventura. Este cambio representa algo más que un progreso tecnológico; refleja nuestro compromiso con la excelencia y la responsabilidad ambiental.

Formula Student

Como equipo, competimos en algunas de las competiciones de Formula Student más fantásticas del mundo en Europa. Nuestra elección de materiales refleja nuestro objetivo de crear un coche ligero y fiable. La mayoría de los componentes están construidos con composites de fibra de carbono, lo que aumenta la resistencia del vehículo y reduce su peso.

Formula Student es una competición global de ingeniería que desafía a estudiantes universitarios a diseñar, construir y competir con un coche de carreras de estilo fórmula. Equipos de diversas universidades de todo el mundo participan en este evento anual, mostrando sus habilidades en diseño, fabricación, pruebas y presentaciones empresariales.

La competición enfatiza los aspectos técnicos de la construcción de un coche de carreras de alto rendimiento y fomenta el desarrollo de habilidades en gestión de proyectos y trabajo en equipo. Los participantes deben cumplir con reglas y normativas estrictas mientras empujan los límites de la innovación para crear un vehículo completo y competitivo.

Objeto de medición

Llamamos a nuestro primer coche de carreras totalmente eléctrico "Missy". Un motor eléctrico que desarrolla 86 kW impulsa a la Missy, de 185 kilogramos, la cual puede acelerar hasta 100 km/h en tan solo 3,1 segundos. Se alimenta de un paquete de baterías con una capacidad de 7,7 kWh, suficiente para aproximadamente 30 kilómetros de autonomía eléctrica en la pista.

Missy - Detalles técnicos

Nuestro coche de carreras debe funcionar de manera impecable y confiable en competición, por lo que probar el vehículo es importante desde varias perspectivas. El aspecto más relevante es ensayar y preparar el coche para la competición, ya que las pruebas nos permiten identificar y solucionar cualquier error o problema.

Pueden presentarse diversos inconvenientes, como fallos mecánicos, eléctricos o de software. El propósito de las pruebas es también recopilar datos que luego puedan analizarse y utilizarse para futuras mejoras o actualizaciones, además de validar el coche de carreras actuales y probar diferentes configuraciones.

Aplicamos mediciones y adquisición de datos para facilitar la resolución de problemas, el diagnóstico y el monitoreo del comportamiento del coche durante la conducción. Recopilar y almacenar datos mientras se conduce es fundamental, ya que nos permite identificar las causas y posibles mejoras en todo el sistema durante el análisis posterior.

Selección de dispositivos de medición adecuados

La elección de dispositivos de medición adecuados depende del método de ensayo y del propósito de lo que queremos medir y cómo. En este trabajo, recibimos un significativo apoyo de Dewesoft, que se especializa en la realización de mediciones y en la fabricación de dispositivos de medición.

Según nuestras necesidades de medición, utilizamos tres instrumentos de la oferta de Dewesoft, que la empresa proporcionó bajo un acuerdo de patrocinio. Empleamos los siguientes dispositivos o módulos de medición: Dewesoft SBOX, Dewesoft DEWE-43A y Dewesoft DS-IMU1.

Hardware y software utilizados

• SBOX: una potente computadora de procesamiento de datos y un registrador de datos SSD altamente confiable.

• DEWE-43A: un versátil sistema de adquisición de datos USB de 8 canales con un tamaño que cabe en la mano.

• Ocho entradas analógicas universales, ocho entradas digitales/contadores/encoders y dos entradas de bus CAN

• DS-IMU1: Sistema de navegación inercial compacto y robusto

• Antena GPS

• DewesoftX software: Software traducir para medición de señales, registro de datos, procesamiento de señales y visualización de datos

El Dewesoft SBOX es una computadora que sirve para almacenar datos y para la exportación posterior de esta información. Este equipo también permite el monitoreo en tiempo real y la revisión de los valores medidos, además de proporcionar acceso al software DewesoftX con licencia. Además, cuenta con un GPS integrado de 10 Hz (Sistema de Posicionamiento Global), lo que permite capturar datos cada 100 ms.

El Dewesoft DEWE-43A es un amplificador, es decir, convierte la señal analógica medida a partir de la célula de carga o sensor en un formato digital. Dichos dispositivos son conocidos como ADC (Convertidor de Analógico a Digital). Además de funcionar como amplificador, también es capaz de leer la comunicación directa a través del bus CAN (Controller Area Network).

El Dewesoft DS-IMU1 es un instrumento de medición que actúa como GPS y acelerómetro. Este dispositivo ayuda a rastrear la ubicación del vehículo, medir aceleraciones, ángulos de derrape, etc. Asimismo, funciona como giroscopio, proporcionando datos sobre el ángulo de cabeceo del coche durante la frenada o la aceleración.

Instalación del equipo en el coche de carreras

Instalamos el equipo en las ubicaciones más adecuadas, donde podamos garantizar una correcta fijación, funcionamiento y conexiones de señal apropiadas. El SBOX y el DEWE-43A son los dispositivos principales a los que conectamos todos los demás dispositivos de medición y sensores (ver la Figura 2). Por ello, se montaron sobre la sección trasera del monocasco y se aseguraron con correas de sujeción para permitir el acceso.

Colocamos el giroscopio o acelerómetro DS-IMU1 lo más cerca posible del centro de gravedad para lograr las mediciones más precisas. Se montó directamente en el centro del monocasco, ligeramente por delante del asiento del conductor (ver Figura 3).

The GPS antenna must be mounted on the vehicle's exterior to ensure unobstructed satellite access. We, therefore, installed it on the upper front section of the monocoque—above the steering wheel - see Figure 4.

El coche de carreras utiliza dos líneas CAN separadas:

CAN_1: Esta línea es la de la batería de alta tensión conectada a la Unidad de Control del Vehículo (VCU). La VCU controla el tren motriz y las funciones generales del vehículo, como la interacción con los pedales, los sistemas de iluminación, etc.

CAN_2: Esta línea conecta la VCU con el inversor.

Estas dos líneas transmiten un volumen significativo de datos esenciales que el sistema necesita capturar durante las mediciones. Hemos preparado conectores de diagnóstico para ambas líneas en las conexiones de nuestro dispositivo de adquisición de datos (véase la Figura 5).

Configuración del software

Los dispositivos Dewesoft vienen con el software DewesoftX, que es relativamente fácil de usar. Antes de comenzar las mediciones, es necesario configurar todos los parámetros y cálculos, y seleccionar los módulos y canales apropiados, etc.

Configurando las líneas CAN

Tenemos dos líneas CAN en el coche de carreras, por lo que también necesitamos dos canales de entrada CAN, los cuales capturamos con el dispositivo Dewe-43A. En la configuración, seleccionamos la velocidad de comunicación correcta de 500 kbit/s. También elegimos el modo de comunicación, que en nuestro caso es "Solo lectura", ya que únicamente buscamos capturar los valores. Véase la configuración en la Figura 7.

El siguiente paso es decodificar los mensajes. Para ello, importamos nuestro archivo pre-preparado que contiene la información para la decodificación de los mensajes. Antes de llevar a cabo las mediciones, debemos hacer clic en la opción "Guardar todos los mensajes" para almacenar todos los mensajes durante la conducción.

El propósito de monitorear los mensajes es garantizar que todos los datos en el vehículo se sincronicen a lo largo del tiempo, lo que permite una comparación posterior de los valores en el momento exacto. También es importante registrar todo en un solo lugar y estar preparados para un análisis posterior o para el uso de los datos capturados. La información que capturamos en las líneas CAN incluye lo siguiente:

CAN_1:

• Voltaje mínimo,

• Temperatura máxima de celda,

• Voltaje del bate

• Corriente,

• y más.

CAN_2:

• RPM del motor,

• Temperatura del motor,

• Temperatura del puente,

• Corriente de fase,

• y más.

Ejecución de las mediciones

Realizamos las mediciones exactas durante varios días para alcanzar objetivos que podemos categorizar por disciplina, tales como pruebas de aceleración, resistencia o aerodinámica. Estas pruebas se realizaron a cabo durante sesiones rutinarias y específicas, realizándose en una pista de karting. Durante el período de pruebas, nos orientamos principalmente según las condiciones meteorológicas, ya que deseábamos que el ambiente externo fuera similar al de las competiciones.

Para mejorar el monitoreo de datos durante la conducción, establecimos telemetría en vivo e implementamos comunicación con el conductor (véase la Figura 10). Esta comunicación nos permitió lograr de manera más efectiva los estilos de conducción deseados y analizar posibles problemas o cambios con mayor rapidez.

Antes de iniciar las pruebas, siempre registrábamos los ajustes iniciales del coche de carreras, incluyendo el peso del vehículo, las temperaturas y presiones de los neumáticos. Verificamos el funcionamiento de todos los sensores y dispositivos, y también anotamos las condiciones externas, como la temperatura del aire, la temperatura del asfalto, la velocidad del viento, etc.

Resultados y comparaciones

Posteriormente a la ejecución de las mediciones, analizamos los resultados creando gráficos y tablas basadas en los datos para facilitar comparaciones, véase la Figura 12, entre mediciones y simulaciones o entre mediciones actuales y anteriores.

Realizamos una prueba de aceleración utilizando el módulo de prueba de frenos de Dewesoft para seleccionar el modo de aceleración, lo que nos permite obtener los tiempos de aceleración. La aceleración es una disciplina de competición, y la prueba tiene una longitud de 75 metros.

Rastreábamos y registrábamos el recorrido del coche de carreras utilizando la unidad GPS del DS-IMU1 (véase la Figura 13). Con este conocimiento preciso de la trayectoria del vehículo, podemos identificar con exactitud dónde se producen posibles errores o cambios en la pista y determinar la velocidad y la aceleración en curvas o tramos rectos específicos.

Analizamos los datos de las líneas CAN en el coche de carreras. En la Figura 14 se observa el voltaje de la batería de alta tensión, la temperatura en el puente del controlador o inversor y el par de referencia.

Conclusión

Utilizando el equipo Dewesoft, pudimos diagnosticar rápidamente problemas relacionados con el software, ya que monitoreamos todos los dispositivos electrónicos del vehículo a través de las líneas CAN. También recopilamos datos valiosos que nos informan sobre el uso de nuestros componentes y lo que ocurre durante la conducción.

Podemos determinar con precisión la velocidad del vehículo utilizando el GPS, lo cual fue especialmente beneficioso durante las pruebas específicas. Además, obtuvimos datos de distancia para evaluar el alcance del coche de carreras. Además, realizamos una disciplina de aceleración similar a la que tenemos en las competiciones.

Dado que también contamos con un acelerómetro, pudimos medir la aceleración en momentos o curvas específicas, particularmente en el caso de la aceleración lateral del vehículo.