FSEC赛车整车电气系统的优化设计

时间：2022-09-23 00:58:22

关键字： FSEC 电气系统优化设计

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[导读]摘要:中国大学生电动方程式汽车大赛(FSEC)是我国以大学生为参赛主体的赛车比赛,国内从20l0年开始发展,主要考验团队的设计能力、构思能力、营销能力、成本控制能力和动手实践能力。现主要针对方程式电动赛车电气控制系统进行优化设计,通过分析试验数据,对电气系统、线束布局、整车控制器和电传动系统进行改良,使整车动力性、操纵稳定性、行驶平顺性等性能更加良好,达到了优化目标。

引言

在大学生方程式电动赛车中,安全可靠的整车电气系统是赛车高性能的有效保障,构建符合赛事规则的电机控制器、电池管理系统、绝缘监控装置、制动可靠性装置等功能模块在内的电气系统尤为重要,它的稳定性和安全性决定了这辆赛车是否具备参加动态赛的资格。电动汽车电气系统主要由高低压电器设备、整车控制部分、能源管理部分和网络通信部分等各分支机构组成,电气系统承担着能量与信息传递的功能,同时,对电动汽车的动力性、经济性、安全性和舒适性等性能也有很大影响。本文从电气系统、线束布局、整车控制器和电传动系统4个方面进行论述。

1电气系统

1.2绝缘监测装置(IMD)

绝缘监测装置(IMD)采用Bender制造的一种汽车级电路板,可持续监测驱动系统的有源高压导体和底盘接地之间的绝缘电阻。IMD的响应值设置为500Q/VDC,与最大牵引系统工作电压有关,牵引系统的最大电压为DC469.8V,IMD为234.9kQ。如果打开l2V的低压电源,IMD会执行一个速度启动测量,提供第一个估计的绝缘电阻(最长2s时间内),直流电脉冲系统连续地进行绝缘测量,连接线上的故障或其他功能故障将被识别,使驱动关机电路中的继电器开路。IMD检测到正常情况时输出高电平,当出现故障时,输出低电平,且IMD正常工作前先进行2s自检并输出低电平。根据绝缘监测系统功能要求,结合绝缘监测装置技术手册,该电路通过单向可控硅自锁,即使IMD信号恢复正常,继电器仍不会自行复位。该电路不设置复位开关,必须对低压系统主开关重新上电才能进行重置。

1.2制动可靠性装置(BSPD)

方程式赛车的制动可靠性非常关键,决定了车辆和乘员安全。制动系统的可靠性可以从两方面理解:一方面是制动油路,如果油路设计不合理,安装不可靠,可能会使赛车制动失效,造成严重后果:另一方面是电气控制,在电动机输出功率时踩制动,容易烧毁电动机控制器甚至电动机。

制动可靠性装置电路原理图如图1所示,驱动系统将电流信号输入PCB,通过电压比较器LM393判断输入信号是否大于传感器输出电压的最低范围,且是否超过电机功率5kw时的电压阈值:将制动信号输入PCB,通过电压比较器LM393判断输入信号是否大于传感器输出电压的最低范围,且是否达到发生紧急制动或制动压力超过3MPa(30bar)时的电压。当信号大于2.45V时,超出所设定的电压比较阈值,即此时电机功率大于5kw,LM393输出高电平信号:当信号小于2.45V且大于2V时,输出低电平信号。该电路不设置10s后故障消除自行复位的功能,且无手动复位,只能通过对低压系统主开关重新上电进行重置。

BSPD是一个独立的非编程电路(与安全回路断开),当紧急制动时,传输到电机中的功率≥5kw。为检测紧急制动,必须安装一个制动系统压力传感器,阈值选择没有车轮锁死或制动压力≤3MPa(30bar)。

信号采集:霍尔传感器检测驱动系统电流,如表1所示,并将0~200A电流转换为2~10V电压信号。当电机功率大于5kw时,通过计算得出此时动力线中电流大于10.6A,传感器电压输出大于2.45V。油压传感器检测制动情况并输出0.5~4.5V电压信号,当发生紧急制动或制动压力大于3MPa(30bar)时,传感器输出2.5V电压信号。

由于驱动过程中振动强烈,加速踏板和制动踏板会产生一些振动,因此传感器的输出电压会发生波动。通过正确设计滤波器模型,可以有效消除振动对输出电压的影响。辅助装置输出电压范围与踏板的机械结构有关,由传感器反馈的油门踏板位置与其输出电压间的关系可通过式(1)(2)(3)得到:

式中:T为油门踏板位置:T1、T2为由1、2号加速器踏板位置传感器(APPs1、APPs2)反馈的位置:APPs1input、APPs2input为APPs1、APPs2的输出电压:APPs1no-load、APPs2no-load为APPs1、APPs2的空载输出电压:APPs1full-load、APPs2full-load为APPs1、APPs2的满载输出电压。

用simulink绘制出滤波前的响应,APPs1和APPs2的电压信号有更多毛刺,说明油门踏板的位置不稳定,对功率输出的影响很大,如图2所示。将电压信号转换为踏板位置信号后,APPs1和APPs2滤波后的位置如图3所示。从图3可以看出,APPs1在上极点的位置超过了正常范围,与APPs2的差异大于7%:此外,APPs2在下极点的位置超过了正常范围。

2线束布局

整车采用两个线束:第一个线束是试验架线束,将在单体壳造出来之前的基础上使用,先用CAD绘制出整车原理图,通过Catia的电气线束模块建出模型,再在泡沫板上用实线做出线束布局:第二个线束称为车辆线束,针对其尺寸和路线进行具体应用,对线束进行模块化设计,车辆线束与试验架线束分开。每辆车的电线长度和路线会有所不同,但电气连接与试验架线束相同。如果整车都按照预期使用试验架线束,车辆线束就可以直接模仿试验架线束,作为试验架线束的副本。

3整车控制器

整车控制器负责执行数据的记录,并管理整个赛车不同动态输入和输出的处理,具体包括模拟输入,如DC12V传感器输入、两个油门踏板信号和模拟信号输入,关闭电路状态、制动灯开关状态、绝缘监测装置和制动可靠性装置状态,与控制器区域网(CAN)串行数据进行通信。用Sismuilk进行模块的搭建与仿真测试,传输路径如图4所示。

4电传动系统

电传动系统通过电池箱电源提供行驶的动力,用电机驱动车轮运动。FSEC允许最大电压为DC300V,最大功率为80kw。交流电机定子绕组和直流电机电枢均有铜损耗,且损耗随温度的升高而增大。当温度从20℃升高到140℃时,铜绕组的电阻率将从l.59×l0-8Q·s增加到2.32×l0-8Q·s,增加46%。

在方程式赛车电路中,最大驱动速度约为l20ks/h,电动马达的最大转速为20000r/sil,轮胎直径为0.37s,计算得出车轮转速(n2)约为1721r/sil,齿轮比(i)为11.6。