FSEC賽車整車電氣系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

李加龍　黃碧雄　甘梓又　李博　韋佳貝

摘 要：中國大學(xué)生電動方程式汽車大賽（FSEC）是我國以大學(xué)生為參賽主體的賽車比賽，國內(nèi)從2010年開始發(fā)展，主要考驗團(tuán)隊的設(shè)計能力、構(gòu)思能力、營銷能力、成本控制能力和動手實踐能力。現(xiàn)主要針對方程式電動賽車電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，通過分析試驗數(shù)據(jù)，對電氣系統(tǒng)、線束布局、整車控制器和電傳動系統(tǒng)進(jìn)行改良，使整車動力性、操縱穩(wěn)定性、行駛平順性等性能更加良好，達(dá)到了優(yōu)化目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：FSEC;電氣系統(tǒng);優(yōu)化設(shè)計

中圖分類號：TM921.0? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號：1671-0797（2022）11-0028-04

0? ? 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(jī)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(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，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]。

1? ? 電氣系統(tǒng)

1.1? ? 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500 Ω/V

DC，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DC469.8 V，IMD為234.9 kΩ。如果打開12 V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2 s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(jī)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2 s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(jī)輸出功率時踩制動，容易燒毀電動機(jī)控制器甚至電動機(jī)。

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(jī)功率5 kW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3 MPa（30 bar）時的電壓。當(dāng)信號大于2.45 V時，超出所設(shè)定的電壓比較閾值，即此時電機(jī)功率大于5 kW，LM393輸出高電平信號;當(dāng)信號小于2.45 V且大于2 V時，輸出低電平信號。該電路不設(shè)置10 s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(jī)中的功率≥5 kW。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≤3 MPa（30 bar）[2]。

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

由于驅(qū)動過程中振動強(qiáng)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(jī)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[3]：

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[4]。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DC12 V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Simulink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(jī)驅(qū)動車輪運動。FSEC允許最大電壓為DC300 V，最大功率為80 kW。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，銅繞組的電阻率將從1.59×10-8 Ω·m增加到2.32×10-8 Ω·m，增加46%。

在方程式賽車電路中，最大驅(qū)動速度約為120 km/h，電動馬達(dá)的最大轉(zhuǎn)速為20 000 r/min，輪胎直徑為0.37 m，計算得出車輪轉(zhuǎn)速（n2）約為1 721 r/min，齒輪比（i）為11.6[5]。

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(jī)控制器與每個電機(jī)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(jī)。每次改變逆變器或電機(jī)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)[6]。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 王斌，趙雷雷.電動汽車電氣系統(tǒng)簡析[J].汽車實用技術(shù)，2013（3）：32-35.

[2] 張麗.電動汽車電氣系統(tǒng)故障分析與可靠性提高方法[J].科技風(fēng)，2017（14）：22.

[3] LI Y X，HONG H C，D'APOLITO L.Reliability control of electric racing car's accelerator and brake pedals[J].World Electric Vehicle Journal，2020，12（1）：1.

[4] LEOTTA F.Design of a battery pack for a formula SAE racing car[D].Turin：Politecnico di Torino，2019.

[5] SULLIVAN Q J B.The design，implementation，evaluation and results of a race car for the collegiate formula SAE electric competition[D].Portland：Portland State University，2016.

[6] 殷國棟，柏碩，莊偉超，等.一種純電動方程式賽車整車電氣系統(tǒng)：CN202010850348.5[P].2020-08-21.

收稿日期：2022-03-02

作者簡介：李加龍（2000—），男，廣西桂林人，研究方向：機(jī)械電子工程。

通信作者：黃碧雄（1983—），男，福建福安人，碩士，實驗師，研究方向：新能源汽車動力電池。

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.11.008

基金項目：2021年上海市大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目“FSEC賽車低壓系統(tǒng)的設(shè)計及優(yōu)化”（cs2101005）