Artigo Elétrico utilizando Model Based Design

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Gerenciamento eletrônico de um veículo do tipo Fórmula SAE Elétrico utilizando Model Based Design

João Bruno Palermo ([e-mail]); Fabio Delatore ([e-mail]); Equipe Fórmula FEI Elétrico ([e-mail])

RESUMO

Neste artigo serão apresentados os conceitos técnicos que regem o veículo Fórmula FEI RB5, que é o quinto protótipo elétrico de Fórmula SAE® da equipe Fórmula FEI. Esta geração dos RB emprega um motor síncrono de fluxo axial Emrax 208, controlado por um inversor Rinehart PM10DX. Os packs de baterias (300VDC) foram montados com células Melasta de LiPo na configuração 72s3p, gerenciados com BMS ativo da Elektromotus, capaz de garantir a disponibilidade de energia que o veículo necessita para as provas de performance e enduro. Calçado com rodas aro 10” e projetado com entre eixos e bitola curtos, acompanhado de um bom conjunto aerodinâmico dianteiro e traseiro, chegou-se a um melhor acerto dinâmico do carro, tendo em vista as provas impostas a maior aceleração lateral e também longitudinal, comprovado com aquisições obtidas via sistema MoTEC. O gerenciamento do veículo emprega as modernas técnicas de Model Based Design utilizando as ferramentas da ETAS, incluindo os módulos de aquisição e gerenciamento ES910 e ES930, além dos softwares de desenvolvimento e calibração, ASCET e INCA. O desenvolvimento de um modelo

Palavras chaves: Fórmula SAE, Model Based Design, ETAS, RTA-OSEK

2. O Projeto Mecânico do Fórmula FEI RB4

O chassi do Fórmula FEI RB4 é do tipo híbrido, onde a estrutura é tubular utilizando aço SAE 1020 e banco, firewall e assoalho empregam placas de fibra de carbono com colmeia NOMEX. A interação entre os elementos é realizada por meio de adesivo estrutural, composição que favorece o aumento da rigidez torcional.

Já o projeto de suspensão do carro emprega uma geometria do tipo duplo A, com comprimentos diferentes e não coplanares e amortecedores acionados por um sistema pull-rod. Uma barra anti-rolagem em cada eixo permitindo uma variação no comportamento dinâmico do veículo, previsto através de simulações via software Optimum Kinematics

O sistema de direção do veículo foi baseado nos diagramas de Jeantaud e utiliza uma geometria de Ackerman positivo, o que garante um menor ângulo de esterço do volante para contornar curvas de diferentes raios.

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Figura 01 – Sketch 3D geral do Fórmula FEI Elétrico RB4.

        Nosso conjunto de rodas fornecidos pela Keizer® é composto por 2 talas por rodas, sendo no eixo traseiro duas de 4 polegadas e no eixo dianteiro, emprega-se uma de 5 polegadas e uma de 2 polegadas. Os pneus são os Hoosier® 18x6-10 LCO sem sulcos.

O sistema de freios é composto por quatro pinças sólidas de alumínio aeronáutico, não flutuantes fixadas por parafusos na manga. Os discos utilizados trazem formato wave, furos e slots para garantir melhor fluxo de ar e limpeza do sistema disco-pastilha. São utilizadas duas linhas hidráulicas diferentes (dianteira e traseira) com um cilindro mestre cada, o que possibilita o ajuste do balanço de freio de acordo com diferentes pilotos e condições de pista.

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Figura 02 – Projeto Fórmula FEI Elétrico RB4, versão final (renderizado).

A aerodinâmica do RB4 foi totalmente desenvolvida a partir de análises CFD 3D feitas no software Star-CCM+®, incluindo carenagem (bico, side pod) e aerofólios dianteiros e traseira.

A inclusão dos aerofólios foi tomada a partir da análise dos traçados de Fórmula SAE®, e depois de análises dinâmicas através do software Optimum Lap®, foi constatado uma considerável melhora no tempo de volta. Os aerofólios dianteiro e traseiro são confeccionados em fibra de carbono, ocas e laminadas em perfil único, não sendo necessário o uso de almas estruturais dentro da asa, obtendo uma menor massa.

3. O Projeto Elétrico do Fórmula FEI RB4

O projeto elétrico do RB4 foi concebido pensando na utilização de componentes de elevada tecnologia, que pudesse proporcionar confiabilidade e desempenho ao projeto.

Traz um motor de fluxo axial, síncrono e trifásico, modelo EMRAX 228, refrigerado a água, com um torque de 125Nm (240Nm de pico) e potência de 40KW (100kW de pico), com 93 a 96 % de eficiência. A transmissão primária é realizada por um conjunto formado por um pinhão-coroa, semieixos e diferencial de deslizamento limitado do tipo Drexler. O inversor de frequência é Bamocar D3 – 400, líquido refrigerado, com capacidade para até 140kW, tensão de saída trifásica de até 260V e corrente de até 400A, com realimentação de velocidade via resolver.

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Figura 03 – Projeto elétrico RB4, localização das centrais elétricas.

A nova VCU do RB4 (Vehicle Control Unit), que é o sistema responsável por fazer o gerenciamento de todos os controles dinâmicos e de segurança, é realizada pelo módulo ETAS ES910. Esse módulo realiza a comunicação via CAN com todos os módulos presentes no veículo (BMS, inversor e aquisição de dados).

A programação foi toda realizada utilizando a metodologia (Model-Based Software Engineering) por meio do software ASCET V6.4, permite uma modularidade de funções, utilização de sistemas operacionais em tempo real e componentes de software de aplicação desenvolvidos independentemente do hardware/processador utilizado, onde implementa-se diversas rotinas de controle e gerenciamento do carro, tais como pedal map, sistema de diagnose de falhas, gerenciamento de segurança, entre outros.

O módulo ES910 utiliza o sistema operacional RTA-OSEK (Offene Systeme und derem Schnittstellen für die Elektronik in Kraftfahrzeugen, que em português significa "Sistemas abertos e suas interfaces para eletrônica automotiva"). Trata-se de uma implementação comercial do OSEK atualmente utilizado em sistemas single core gerenciando as funções multitasking do software de aplicação (AppSW) e basic software (BSW), por se tratar de um single core, este RTOS gerencia a execução dos processos internos do AppSW, resolvendo condições de disputa de processador de uma tal maneira que todos os processos rodam de forma quase paralela. Além de respeito às normas automotivas ASAM MCD-2 MC que permite um trabalho de calibração profissional com todos os recursos utilizados na indústria. Junto ao ES910, utiliza-se no RB4 o ETAS ES930, fazendo a função de interface para todos os acionamentos e recebimento de informações.