Hardware investigation and design of a power inverter for Motostudent electric application

The active participation to the Polimi Motorcycle Factory (PMF) team in the last years, and in the E-Powertrain division particularly, has increased my interest in light mobility and electric powertrains in general. Within this motorsport team, which builds two motorcycles (one combustion-powered and one electric); students from various disciplines come together with the goal of taking part to the Motostudent competitions, where they compete against other universities from around the world in an engineering challenge to design the best prototype. In this context, the design of each component is critical and focused on maximizing performance by reducing weight and size while increasing power output and efficiency. This thesis focuses on the design of the first inverter completely developed within the PMF, thus achieving full control over the electric powertrain avoiding to adapt commercial solutions for racing purposes. The project takes into account the current regulations of Motostudent, while still allowing a certain degree of freedom for future adaptations. Initially, an investigation is carried out on both the circuit configuration and the performance of different semiconductor technologies to select the most suitable one for this application. Then, the best component realized with the selected technology is identified for the product's realization. Alongside this choice, the sizing of the remaining hardware necessary for the proper management of the power involved is evaluated. The final result is a prototype of the power board, which represents the beginning of a delicate project within the Polimi Motorcycle Factory. This project will reasonably see revisions, improvements and subsequent versions tailored to specific requirements and increasing performance over time.

Negli anni passati, la mia attiva partecipazione al team Polimi Motorcycle Factory (PMF), in particolare nella divisione E-Powertrain, ha contribuito ad accrescere il mio interesse verso la light mobility e i powertrain elettrici in generale. All’interno di questo team sportivo, che realizza due moto (una a combustione e una elettrica), studenti di ogni indirizzo di studi si mettono in gioco con l’obiettivo di partecipare alle competizioni Motostudent, confrontandosi con altre università di tutto il mondo in una gara di ingegneria allo scopo di progettare il miglior prototipo. In questo contesto, la progettazione di ogni componente è critica e orientata a massimizzare le performance, riducendo peso e ingombri aumentando la potenza erogata e l’efficienza. Questa tesi si focalizza sul progetto di un primo inverter completamente realizzato all’interno del PMF, raggiungendo così un totale controllo sul powertrain elettrico senza dover adattare soluzioni commerciali ad un utilizzo in ambito racing. Il progetto tiene conto delle attuali limitazioni di regolamento Motostudent, garantendo comunque un certo grado di libertà per eventuali adattamenti futuri. Viene inizialmente svolta un’indagine sia sulla configurazione circuitale che sulle performance delle diverse tecnologie di semiconduttori, in modo da selezionare la più adatta a questo tipo di applicazione. In seguito, viene individuato il componente migliore realizzato con questa tecnologia ai fini della realizzazione del prodotto. A contorno di questa scelta c’è il dimensionamento del restante hardware necessario alla corretta gestione delle potenze in gioco. Il risultato finale è un primo prototipo della scheda di potenza, che rappresenta l’inizio ad un delicato progetto all’interno del Polimi Motorcycle Factory. Tale progetto potrà essere soggetto a revisioni, miglioramenti e le successive versioni dovranno essere adattate alle specifiche necessità e garantire performance crescenti nel tempo.