FSEC賽車整車電氣系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

引言

在大學(xué)生方程式電動賽車中,安全可靠的整車電氣系統(tǒng)是賽車高性能的有效保障,構(gòu)建符合賽事規(guī)則的電機控制器、電池管理系統(tǒng)、絕緣監(jiān)控裝置、制動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是否具備參加動態(tài)賽的資格。電動汽車電氣系統(tǒng)主要由高低壓電器設(shè)備、整車控制部分、能源管理部分和網(wǎng)絡(luò)通信部分等各分支機構(gòu)組成,電氣系統(tǒng)承擔(dān)著能量與信息傳遞的功能,同時,對電動汽車的動力性、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、整車控制器和電傳動系統(tǒng)4個方面進(jìn)行論述。

1電氣系統(tǒng)

1.2絕緣監(jiān)測裝置(IMD)

絕緣監(jiān)測裝置(IMD)采用Bender制造的一種汽車級電路板,可持續(xù)監(jiān)測驅(qū)動系統(tǒng)的有源高壓導(dǎo)體和底盤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l2V的低壓電源,IMD會執(zhí)行一個速度啟動測量,提供第一個估計的絕緣電阻(最長2s時間內(nèi)),直流電脈沖系統(tǒng)連續(xù)地進(jìn)行絕緣測量,連接線上的故障或其他功能故障將被識別,使驅(qū)動關(guān)機電路中的繼電器開路。IMD檢測到正常情況時輸出高電平,當(dāng)出現(xiàn)故障時,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)測系統(tǒng)功能要求,結(jié)合絕緣監(jiān)測裝置技術(shù)手冊,該電路通過單向可控硅自鎖,即使IMD信號恢復(fù)正常,繼電器仍不會自行復(fù)位。該電路不設(shè)置復(fù)位開關(guān),必須對低壓系統(tǒng)主開關(guān)重新上電才能進(jìn)行重置。

1.2制動可靠性裝置(BSPD)

方程式賽車的制動可靠性非常關(guān)鍵,決定了車輛和乘員安全。制動系統(tǒng)的可靠性可以從兩方面理解:一方面是制動油路,如果油路設(shè)計不合理,安裝不可靠,可能會使賽車制動失效,造成嚴(yán)重后果:另一方面是電氣控制,在電動機輸出功率時踩制動,容易燒毀電動機控制器甚至電動機。

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

BSPD是一個獨立的非編程電路(與安全回路斷開),當(dāng)緊急制動時,傳輸?shù)诫姍C中的功率≥5kw。為檢測緊急制動,必須安裝一個制動系統(tǒng)壓力傳感器,閾值選擇沒有車輪鎖死或制動壓力≤3MPa(30bar)。

信號采集:霍爾傳感器檢測驅(qū)動系統(tǒng)電流,如表1所示,并將0~200A電流轉(zhuǎn)換為2~10V電壓信號。當(dāng)電機功率大于5kw時,通過計算得出此時動力線中電流大于10.6A,傳感器電壓輸出大于2.45V。油壓傳感器檢測制動情況并輸出0.5~4.5V電壓信號,當(dāng)發(fā)生緊急制動或制動壓力大于3MPa(30bar)時,傳感器輸出2.5V電壓信號。

由于驅(qū)動過程中振動強烈,加速踏板和制動踏板會產(chǎn)生一些振動,因此傳感器的輸出電壓會發(fā)生波動。通過正確設(shè)計濾波器模型,可以有效消除振動對輸出電壓的影響。輔助裝置輸出電壓范圍與踏板的機械結(jié)構(gòu)有關(guān),由傳感器反饋的油門踏板位置與其輸出電壓間的關(guān)系可通過式(1)(2)(3)得到:

式中:T為油門踏板位置:T1、T2為由1、2號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的電壓信號有更多毛刺,說明油門踏板的位置不穩(wěn)定,對功率輸出的影響很大,如圖2所示。將電壓信號轉(zhuǎn)換為踏板位置信號后,APPs1和APPs2濾波后的位置如圖3所示。從圖3可以看出,APPs1在上極點的位置超過了正常范圍,與APPs2的差異大于7%:此外,APPs2在下極點的位置超過了正常范圍。

2線束布局

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

3整車控制器

整車控制器負(fù)責(zé)執(zhí)行數(shù)據(jù)的記錄,并管理整個賽車不同動態(tài)輸入和輸出的處理,具體包括模擬輸入,如DC12V傳感器輸入、兩個油門踏板信號和模擬信號輸入,關(guān)閉電路狀態(tài)、制動燈開關(guān)狀態(tài)、絕緣監(jiān)測裝置和制動可靠性裝置狀態(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試,傳輸路徑如圖4所示。

4電傳動系統(tǒng)

電傳動系統(tǒng)通過電池箱電源提供行駛的動力,用電機驅(qū)動車輪運動。FSEC允許最大電壓為DC300V,最大功率為80kw。交流電機定子繞組和直流電機電樞均有銅損耗,且損耗隨溫度的升高而增大。當(dāng)溫度從20℃升高到140℃時,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%。

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

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

電機控制器與每個電機配對,以保證模擬信號(油門信號、故障信號)的輸入,并通過控制一個正弦或脈寬調(diào)制的高功率信號驅(qū)動電力到電機。每次改變逆變器或電機時必須配置解析器的偏移,通過公式(4)和(5)計算驗證進(jìn)行自動調(diào)優(yōu)。

5結(jié)語

本文主要對方程式電動賽車電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化,對電氣系統(tǒng)、電傳動系統(tǒng)進(jìn)行了重新計算,對結(jié)果進(jìn)行了設(shè)計優(yōu)化,使其符合賽車要求,將設(shè)計成果轉(zhuǎn)化為工程應(yīng)用。同時,結(jié)合FSEC純電動賽車的電氣特點,通過工程應(yīng)用驗證了設(shè)計的可行性,其整車動力性、操縱穩(wěn)定性、行駛平順性等性能良好,達(dá)到了設(shè)計目標(biāo)。