FSEC賽車(chē)整車(chē)電氣系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

引言

在大學(xué)生方程式電動(dòng)賽車(chē)中,安全可靠的整車(chē)電氣系統(tǒng)是賽車(chē)高性能的有效保障,構(gòu)建符合賽事規(guī)則的電機(jī)控制器、電池管理系統(tǒng)、絕緣監(jiān)控裝置、制動(dòng)可靠性裝置等功能模塊在內(nèi)的電氣系統(tǒng)尤為重要,它的穩(wěn)定性和安全性決定了這輛賽車(chē)是否具備參加動(dòng)態(tài)賽的資格。電動(dòng)汽車(chē)電氣系統(tǒng)主要由高低壓電器設(shè)備、整車(chē)控制部分、能源管理部分和網(wǎng)絡(luò)通信部分等各分支機(jī)構(gòu)組成,電氣系統(tǒng)承擔(dān)著能量與信息傳遞的功能,同時(shí),對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、安全性和舒適性等性能也有很大影響。本文從電氣系統(tǒng)、線束布局、整車(chē)控制器和電傳動(dòng)系統(tǒng)4個(gè)方面進(jìn)行論述。

1電氣系統(tǒng)

1.2絕緣監(jiān)測(cè)裝置(IMD)

絕緣監(jiān)測(cè)裝置(IMD)采用Bender制造的一種汽車(chē)級(jí)電路板,可持續(xù)監(jiān)測(cè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的有源高壓導(dǎo)體和底盤(pán)接地之間的絕緣電阻。IMD的響應(yīng)值設(shè)置為500Q/VDC,與最大牽引系統(tǒng)工作電壓有關(guān),牽引系統(tǒng)的最大電壓為DC469.8V,IMD為234.9kQ。如果打開(kāi)l2V的低壓電源,IMD會(huì)執(zhí)行一個(gè)速度啟動(dòng)測(cè)量,提供第一個(gè)估計(jì)的絕緣電阻(最長(zhǎng)2s時(shí)間內(nèi)),直流電脈沖系統(tǒng)連續(xù)地進(jìn)行絕緣測(cè)量,連接線上的故障或其他功能故障將被識(shí)別,使驅(qū)動(dòng)關(guān)機(jī)電路中的繼電器開(kāi)路。IMD檢測(cè)到正常情況時(shí)輸出高電平,當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí),輸出低電平,且IMD正常工作前先進(jìn)行2s自檢并輸出低電平。根據(jù)絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能要求,結(jié)合絕緣監(jiān)測(cè)裝置技術(shù)手冊(cè),該電路通過(guò)單向可控硅自鎖,即使IMD信號(hào)恢復(fù)正常,繼電器仍不會(huì)自行復(fù)位。該電路不設(shè)置復(fù)位開(kāi)關(guān),必須對(duì)低壓系統(tǒng)主開(kāi)關(guān)重新上電才能進(jìn)行重置。

1.2制動(dòng)可靠性裝置(BSPD)

方程式賽車(chē)的制動(dòng)可靠性非常關(guān)鍵,決定了車(chē)輛和乘員安全。制動(dòng)系統(tǒng)的可靠性可以從兩方面理解:一方面是制動(dòng)油路,如果油路設(shè)計(jì)不合理,安裝不可靠,可能會(huì)使賽車(chē)制動(dòng)失效,造成嚴(yán)重后果:另一方面是電氣控制,在電動(dòng)機(jī)輸出功率時(shí)踩制動(dòng),容易燒毀電動(dòng)機(jī)控制器甚至電動(dòng)機(jī)。

制動(dòng)可靠性裝置電路原理圖如圖1所示,驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將電流信號(hào)輸入PCB,通過(guò)電壓比較器LM393判斷輸入信號(hào)是否大于傳感器輸出電壓的最低范圍,且是否超過(guò)電機(jī)功率5kw時(shí)的電壓閾值:將制動(dòng)信號(hào)輸入PCB,通過(guò)電壓比較器LM393判斷輸入信號(hào)是否大于傳感器輸出電壓的最低范圍,且是否達(dá)到發(fā)生緊急制動(dòng)或制動(dòng)壓力超過(guò)3MPa(30bar)時(shí)的電壓。當(dāng)信號(hào)大于2.45V時(shí),超出所設(shè)定的電壓比較閾值,即此時(shí)電機(jī)功率大于5kw,LM393輸出高電平信號(hào):當(dāng)信號(hào)小于2.45V且大于2V時(shí),輸出低電平信號(hào)。該電路不設(shè)置10s后故障消除自行復(fù)位的功能,且無(wú)手動(dòng)復(fù)位,只能通過(guò)對(duì)低壓系統(tǒng)主開(kāi)關(guān)重新上電進(jìn)行重置。

BSPD是一個(gè)獨(dú)立的非編程電路(與安全回路斷開(kāi)),當(dāng)緊急制動(dòng)時(shí),傳輸?shù)诫姍C(jī)中的功率≥5kw。為檢測(cè)緊急制動(dòng),必須安裝一個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)壓力傳感器,閾值選擇沒(méi)有車(chē)輪鎖死或制動(dòng)壓力≤3MPa(30bar)。

信號(hào)采集:霍爾傳感器檢測(cè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電流,如表1所示,并將0~200A電流轉(zhuǎn)換為2~10V電壓信號(hào)。當(dāng)電機(jī)功率大于5kw時(shí),通過(guò)計(jì)算得出此時(shí)動(dòng)力線中電流大于10.6A,傳感器電壓輸出大于2.45V。油壓傳感器檢測(cè)制動(dòng)情況并輸出0.5~4.5V電壓信號(hào),當(dāng)發(fā)生緊急制動(dòng)或制動(dòng)壓力大于3MPa(30bar)時(shí),傳感器輸出2.5V電壓信號(hào)。

由于驅(qū)動(dòng)過(guò)程中振動(dòng)強(qiáng)烈,加速踏板和制動(dòng)踏板會(huì)產(chǎn)生一些振動(dòng),因此傳感器的輸出電壓會(huì)發(fā)生波動(dòng)。通過(guò)正確設(shè)計(jì)濾波器模型,可以有效消除振動(dòng)對(duì)輸出電壓的影響。輔助裝置輸出電壓范圍與踏板的機(jī)械結(jié)構(gòu)有關(guān),由傳感器反饋的油門(mén)踏板位置與其輸出電壓間的關(guān)系可通過(guò)式(1)(2)(3)得到:

式中:T為油門(mén)踏板位置:T1、T2為由1、2號(hào)加速器踏板位置傳感器(APPs1、APPs2)反饋的位置:APPs1input、APPs2input為APPs1、APPs2的輸出電壓:APPs1no-load、APPs2no-load為APPs1、APPs2的空載輸出電壓:APPs1full-load、APPs2full-load為APPs1、APPs2的滿(mǎn)載輸出電壓。

用simulink繪制出濾波前的響應(yīng),APPs1和APPs2的電壓信號(hào)有更多毛刺,說(shuō)明油門(mén)踏板的位置不穩(wěn)定,對(duì)功率輸出的影響很大,如圖2所示。將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為踏板位置信號(hào)后,APPs1和APPs2濾波后的位置如圖3所示。從圖3可以看出,APPs1在上極點(diǎn)的位置超過(guò)了正常范圍,與APPs2的差異大于7%:此外,APPs2在下極點(diǎn)的位置超過(guò)了正常范圍。

2線束布局

整車(chē)采用兩個(gè)線束:第一個(gè)線束是試驗(yàn)架線束,將在單體殼造出來(lái)之前的基礎(chǔ)上使用,先用CAD繪制出整車(chē)原理圖,通過(guò)Catia的電氣線束模塊建出模型,再在泡沫板上用實(shí)線做出線束布局:第二個(gè)線束稱(chēng)為車(chē)輛線束,針對(duì)其尺寸和路線進(jìn)行具體應(yīng)用,對(duì)線束進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì),車(chē)輛線束與試驗(yàn)架線束分開(kāi)。每輛車(chē)的電線長(zhǎng)度和路線會(huì)有所不同,但電氣連接與試驗(yàn)架線束相同。如果整車(chē)都按照預(yù)期使用試驗(yàn)架線束,車(chē)輛線束就可以直接模仿試驗(yàn)架線束,作為試驗(yàn)架線束的副本。

3整車(chē)控制器

整車(chē)控制器負(fù)責(zé)執(zhí)行數(shù)據(jù)的記錄,并管理整個(gè)賽車(chē)不同動(dòng)態(tài)輸入和輸出的處理,具體包括模擬輸入,如DC12V傳感器輸入、兩個(gè)油門(mén)踏板信號(hào)和模擬信號(hào)輸入,關(guān)閉電路狀態(tài)、制動(dòng)燈開(kāi)關(guān)狀態(tài)、絕緣監(jiān)測(cè)裝置和制動(dòng)可靠性裝置狀態(tài),與控制器區(qū)域網(wǎng)(CAN)串行數(shù)據(jù)進(jìn)行通信。用Sismuilk進(jìn)行模塊的搭建與仿真測(cè)試,傳輸路徑如圖4所示。

4電傳動(dòng)系統(tǒng)

電傳動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)電池箱電源提供行駛的動(dòng)力,用電機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)輪運(yùn)動(dòng)。FSEC允許最大電壓為DC300V,最大功率為80kw。交流電機(jī)定子繞組和直流電機(jī)電樞均有銅損耗,且損耗隨溫度的升高而增大。當(dāng)溫度從20℃升高到140℃時(shí),銅繞組的電阻率將從l.59×l0-8Q·s增加到2.32×l0-8Q·s,增加46%。

在方程式賽車(chē)電路中,最大驅(qū)動(dòng)速度約為l20ks/h,電動(dòng)馬達(dá)的最大轉(zhuǎn)速為20000r/sil,輪胎直徑為0.37s,計(jì)算得出車(chē)輪轉(zhuǎn)速(n2)約為1721r/sil,齒輪比(i)為11.6。

公式(4)和(5)表明,高傳動(dòng)比對(duì)于扭矩和速度的轉(zhuǎn)換是必要的,由于空間和重量的原因,選擇了在行星級(jí)上具有中間減速功能的行星齒輪箱。

電機(jī)控制器與每個(gè)電機(jī)配對(duì),以保證模擬信號(hào)(油門(mén)信號(hào)、故障信號(hào))的輸入,并通過(guò)控制一個(gè)正弦或脈寬調(diào)制的高功率信號(hào)驅(qū)動(dòng)電力到電機(jī)。每次改變逆變器或電機(jī)時(shí)必須配置解析器的偏移,通過(guò)公式(4)和(5)計(jì)算驗(yàn)證進(jìn)行自動(dòng)調(diào)優(yōu)。

5結(jié)語(yǔ)

本文主要對(duì)方程式電動(dòng)賽車(chē)電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化,對(duì)電氣系統(tǒng)、電傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了重新計(jì)算,對(duì)結(jié)果進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化,使其符合賽車(chē)要求,將設(shè)計(jì)成果轉(zhuǎn)化為工程應(yīng)用。同時(shí),結(jié)合FSEC純電動(dòng)賽車(chē)的電氣特點(diǎn),通過(guò)工程應(yīng)用驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性,其整車(chē)動(dòng)力性、操縱穩(wěn)定性、行駛平順性等性能良好,達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。