Experiències universitàries en vehicle elèctric

FRANCESC ROURE I Catedràtic de la UPC


En els darrers anys la UPC (Universitat Politècnica de Catalunya) ha inclòs dins de la seva oferta de formació, titulacions específicament orientades al Sector de l’Automoció: al 2012 es va posar en marxa el Màster Universitari d’Enginyeria en Automoció (revisat i renovat al 2019) i al 2017 es va posar en marxa el Grau en Enginyeria d’Automoció.


Formula Student Spain, competició celebrada a l’agost al Circuit de Catalunya


En el pla d’estudis d’ambdues titulacions hi ha assignatures dedicades als vehicles elèctrics, i especialment al Màster es pot cursar una Especialitat en “Electromobilitat” i una altre en “Vehicle connectat i conducció autònoma”. En paral·lel les Escoles d’Enginyeria de la UPC, dins de l’estratègia de promoure la participació dels estudiants en projectes CDIO (Concebre – Dissenyar – Implementar – Operar), han impulsat la creació d’equips per participar a les competicions universitàries Formula Student i Moto Student. A aquestes competicions els equips d’estudiants han de concebre, dissenyar i construir un vehicle, amb el que després participen a les competicions. La possibilitat d’aplicar els coneixements teòrics adquirits, de construir el propi vehicle i de competir amb ell, motiva extraordinàriament als estudiants, que s’impliquen molt en aquest tipus de projecte i hi dediquin molt de temps. Al mateix temps entren en contacte amb tot tipus d’empreses del sector de l’automoció, tant per localitzar proveïdors dels components i serveis externs necessaris, com per trobar possibles patrocinadors de l’equip, igualment necessaris. Tot això fa que els estudiants participants adquireixin un alt nivell de formació i experiència pràctica, que els prepara de manera òptima per a posteriorment integrar-se professionalment en el sector de l’automoció.


A la UPC hi han varis equips que participen en aquestes competicions universitàries, alguns amb vehicles elèctrics i d’altres amb vehicles de motor de combustió. A continuació es presenten els equips que competeixen amb vehicles elèctrics.


Formula Student


La Formula Student és una competició universitària d’enginyeria a nivell mundial, en la que equips d’estudiants d’enginyeria d’arreu del món dissenyen i construeixen un vehicle monoplaça, amb el que participen a les diferents proves. Les proves són tant d’enginyeria (disseny, anàlisi de costos, model de negoci) com de competició automobilística (normativa, acceleració, skid pad, endurance, eficiència).


És una competició que es caracteritza per estar constantment a l’avantguarda de la tècnica i fomentar que els estudiants treballin i apliquin les tecnologies més actuals i avançades. Prova d’això és que a l’any 2010, a més de la ja existent categoria de vehicles amb motor de combustió, es va introduir la categoria de vehicles amb motor elèctric. I més recentment, a l’any 2018, s’ha creat la Formula Student Driverless, la categoria de vehicles autònoms.

Al calendari de Formula Student hi ha 17 esdeveniments que durant tot l’any se celebren en diferents llocs del món; hi participen gairebé 700 equips, de més de 40 nacionalitats.


La Formula Student permet als estudiants desenvolupar un projecte d’enginyeria complet, des de la concepció i el disseny, passant per l’anàlisi i la construcció del vehicle, fins a la posta en marxa i la competició amb els altres equips. Les grans virtuts formatives de la Formula Student són la possibilitat d’aplicar els coneixements teòrics adquirits i també desenvolupar competències transversals, com la gestió de projectes, comunicació, treball en equip, lideratge, etc. Els estudiants d’enginyeria que participen als equips de Formula Student surten magníficament preparats per integrar-se professionalment en el sector de l’automoció


ETSEIB Motorsport


ETSEIB Motorsport és un equip de Formula Student format per 42 estudiants de grau i màster de l’Escola Tècnica Superior d’Enginyeria Industrial de Barcelona (ETSEIB). de la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC).

CAT12e durant una sessió de proves


L’equip va néixer l’any 2007 i des de llavors ha presentat un monoplaça nou cada any. Es va començar amb un cotxe amb motor de combustió els primers 4 anys, però des de l’any 2011 s’han fet els monoplaces amb motor elèctric. Al 2013 es va incorporar, per primer cop, alerons per millorar l’aerodinàmica, i al 2015 es va passar de xassís tubular d’acer a monocasc de resina reforçada amb fibra de carboni. L’equip està estructurat en set seccions: Gestió, Dinàmica, Aerodinàmica, Electrònica, Body, Powertrain i Vehicle Control.


A la temporada 2019 ETSEIB Motorsport ha dissenyat i construït el CAT 12e, que ha suposat un salt endavant important, perquè s'ha passat d'un vehicle amb un sol motor i tracció només a les rodes posteriors, a un vehicle amb un motor a cada roda i control independent amb tecnologia de torque vectoring.


El tren de potència del CAT12e és el resultat de l’evolució dels seus predecessors i la incorporació de noves tecnologies. La nova bateria, amb un BMS desenvolupat pel propi equip, subministra al vehicle un total de 7,14 kWh d’energia, que fan moure els 4 motors, de 35 KW cada un. Cada motor, amb refrigeració líquida, carcassa i reducció planetària de dues etapes (tot de disseny propi), és controlat independentment per tal d’obtenir el millor repartiment de forces de tracció.


Per a millorar el rendiment del cotxe en pista es treballa en tes vessants. En primer lloc, es treballa sobre un model digital complet del vehicle, que permet predir el seu comportament en pista i també agilitzar la posta a punt. En segon lloc, es dissenya un sistema de torque vectoring per a controlar de forma activa el yaw rate del vehicle. Finalment, s’optimitza el control del motor i inversor, fent proves en bancada i ajustant els seus paràmetres.

Motor amb carcassa i circuit de refrigeració líquida















L’electrònica del vehicle té un disseny robust en front a interferències electromagnètiques i és adaptable a les diferents necessitats que la posta a punt del vehicle requereixi: incorporació de nous dispositius, de nous sensors, etc. En el lloc de conducció s’ha incorporant un nou tipus de pantalla, de LCD a TFT, amb possibilitat d’importar imatges, colors o uns menús, dissenyada per a poder configurar els diferents modes d’ajust del vehicle.


Placa slave del BMS











Driverless UPC


Driverless UPC és un nou equip dins d’ETSEIB Motorsport, encarregat de dissenyar, construir i provar un vehicle totalment autònom per participar a la categoria Driverless de la Formula Student. L’equip el formen estudiants de l’ ETSEIB (Escola Tècnica Superior d’Enginyeria Industrial de Barcelona) i de l’ETSETB (Escola Tècnica Superior d’Enginyeria de Telecomunicacions de Barcelona).


Xaloc és el primer vehicle Formula Student Driverless desenvolupat a Espanya. A més a més, l’equip barceloní ha acabat la temporada 2019 amb molt d’èxit i demostrant que està a l’altura dels primers equips driverless d’Europa.

XALOC en la jornada del Networking Day


El XALOC s’ha construït sobre la base del CAT10e, el cotxe elèctric que va competir fa dos anys. Amb l’addició de tres tipus de sensors: un LiDAR, una càmera estèreo i un IMU + GPS, el cotxe és capaç d’adquirir tota la informació necessària del seu entorn. A més, s’han dissenyat i instal·lat tres actuadors diferents al cotxe perquè es pugui conduir ell mateix.


Per tal de convertir el CAT10e a un vehicle autònom, es van implementar els sistemes descrits a l’esquema següent:



UPC Ecoracing


UPC ecoRacing és una associació d’investigació tecnològica formada per estudiants i estudiantes d’enginyeria de l’Escola Superior d’Enginyeries Industrial, Aeroespacial i Audiovisual de Terrassa amb l'objectiu principal de desenvolupar noves tecnologies en l’àmbit de l’automoció sostenible. Al 2010 UPC ecoRacing va presentar el primer cotxe híbrid de competició dissenyat i fabricat a Espanya, l’ecoR2. Al 2014 l’equip va fer el salt lògic i es va estrenar amb un vehicle purament elèctric, l’ecoRZ.


La temporada del 2018, l’equip va fer un gran salt tecnològic dissenyant i construint l’ecoRX, el primer vehicle elèctric amb tracció total i un motor a cada roda de tot l’Estat. L’ecoRX disposava d’un total de quatre motors, fet que fa millorar el seu comportament dinàmic en pista així com disminuir notablement el temps de pas per corba. L’altra gran novetat que incorporava el nou monoplaça, era el xassís monocasc de fibra de carboni, el primer de la història d’UPC ecoRacing.

L’ecoRX 2019 a la prova del AutoX a la Formula Student Germany 2019


Al 2019, l’equip ha fet un pas més enllà competint en els quatre esdeveniments més importants de Formula Student, amb el seu flamant monoplaça, l’ecoRX 2019. Durant aquesta campanya s’han portat a la realitat millores en els diferents sistemes del vehicle, el paquet aerodinàmic, la implementació de la frenada regenerativa en el pedal de fre, i, entre molts altres, el perfeccionament del sistema que permet que els quatre motors treballin de manera coordinada i, per tant, aconseguir un monoplaça més ràpid a pista, el Torque Vectoring.


El tren de potència de l’ecoRX 2019 es basa en una bateria amb cel·les de liti que permeten alleugerir el cotxe, subministrant un total de 6,8 kWh i amb un voltatge màxim de 588 V. Amb aquest nivell de tensió, s’extreu el màxim rendiment dels quatre motors de 35kW, i gràcies a la transmissió epicicloïdal de 1,5 fases, l’ecoRX 2019 desenvolupa 1190 Nm de parell en roda, obtenint així una gran acceleració en un monoplaça de només 210kg.


Per a obtenir el màxim rendiment del pneumàtic, s’utilitza un simulador multi-body desenvolupat també pels membres de l’equip. Partint de les condicions òptimes de treball del pneumàtic es desenvolupen diferents iteracions amb tot el sistema de suspensió del monoplaça, assegurant així que el monoplaça assoleixi l’acceleració òptima a cada instant.


Assemblatge de les parts que formen el conjunt roda de l’ecoRX 2019, des del motor fins la llanda


Gràcies a l’optimització del comportament dinàmic del monoplaça a través del Torque Vectoring i el sistema de suspensió, l’ecoRX pot recuperar a les frenades una gran part de l’energia consumida, aconseguint així un ritme en pista molt més alt sense haver d’incrementar l’energia del paquet de bateries i per tant, reduint-ne el pes.


e-Tech Racing


És un equip format per 41 estudiants de l'Escola d'Enginyeria de Barcelona Est (EEBE), de la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC). L'equip va néixer el 2013, presentant la primera maqueta l'E79, i des d'aleshores ençà s’ha presentant cada any un monoplaça elèctric per competir en la Formula Student Electric. L'estructura de l'equip és el següent: Electrònica, Powertrain, Body, Dinàmica, Aerodinàmica i Packaging. e-Tech Racing es caracteritza per un equip jove i lluitador que amb poc temps i recursos ha aconseguit fer salts tècnics importants.

ETR-05 durant un test


Durant la temporada 2017/2018 es va desenvolupar el monoplaça elèctric “Juliet”, que va representar un salt tècnic important en la història de l’equip, ja que es va canviar de xassís tubular a monocasc, així com altres canvis importants en Powertrain i l'electrònica.

Durant la temporada 2018/2019 es va desenvolupar el monoplaça elèctric ETR-05 "Romeo", evolució del “Juliet, amb el que es va competir a Formula Student Spain i Formula Student Italy. “Romeo” té tren de potència format per dos motors síncrons de 40KW, muntats dintre del monocasc, amb una transmissió de relació de 4, i amb un parell a les rodes de 520Nm. Incorpora bateries i un BMS desenvolupat per l’equip, que subministra un total de 8,29 kWh. S’ha millorat la fiabilitat electrònica, en base a l'optimització del disseny de l'electrònica i a tests intensius.

Accumulator Container













Moto Student


Moto Student és una competició universitària biennal, en la qual universitats de més de 17 països han de dissenyar, fabricar i posar a prova una moto de competició. Hi ha dos categories: amb motor de combustió i moto elèctrica. La darrera edició es va celebrar a l’octubre de 2020 a les instal·lacions de Motorland, Aragó (Espanya).


La competició consta de dues fases clarament diferenciades: el MS1 i el MS2. A la MS1 es valoren els aspectes de disseny del prototip, la implementació d’innovacions en el projecte i l'estudi d'una possible fabricació en sèrie del prototip presentat a la competició. En canvi, la MS2 consisteix en una sèrie de proves que avaluen el rendiment i el comportament dinàmic de la moto fabricada per l'equip, en la que hi ha entrenaments lliures, qualificacions i una cursa final.

Moto Student 2018, competició celebrada al MotorLand Aragó


E-Ride ETSEIB


E-Ride ETSEIB és un equip de Moto Student format per 16 estudiants de l'Escola Tècnica Superior d'Enginyeria Industrial de Barcelona (ETSEIB), de la Universitat Politècnica de Catalunya. L’equip va néixer el 2012 amb el nom d’Ampeer Team, i va participar a vàries edicions de la competició universitària Smart Moto Challenge, que consistia en dissenyar i construir una moto elèctrica, urbana i intel·ligent.


Al 2016 l’equip es va transformar en el E-Ride ETSEIB, tenint com a primer objectiu participar a l'edició Moto Student 2018 amb una moto elèctrica: la e-One. El disseny de l'e-One va ser guardonat a la Moto Student 2018 amb el premi MS1 - Millor Projecte Industrial.


De cara al 2020 l'objectiu és millorar l’e-One en varis aspectes: optimització de la ECU reduïnt el seu volum, i així disposar de més espai per altres components; assolir que el procés de descàrrega de la bateria sigui constant i controlat, mitjançant un control electrònic que permeti evitar consums innecessaris; millorar el packaging de la moto i introduir la tecnologia d’impresió 3D per fabricar petits components.

L’e-One preparada al Circuit del MotorLand


El xassís i el basculant són de tub d'acer 25CrMo4 soldat, de disseny i construcció pròpia, amb unes bones característiques de rigidesa. Les bateries d'ió de liti, d'elevada densitat d'energia, donen una autonomia de 40 km, a plena potència. L’ECU ha estat dissenyada i fabricada íntegrament per e-Ride ETSEIB. El motor el proporciona l’organització i és el mateix per a tots els equips: és un motor RFPM (Brushless) amb una potència nominal de 12 kW i una potència de pic de 29 kW. S’ha adaptat una caixa de canvis de 5 reduccions d'una moto convencional, per obtenir un aprofitament òptim de la potència disponible.


El xassís i basculant, el pack de bateries i la ECU