劉存山，蔡志標

(東莞職業(yè)技術學院 機電工程學院， 廣東 東莞 523808)

0 引 言

隨著新能源汽車的普及和使用，各類院校汽車專業(yè)的學生和社會相關人員學習新能源汽車技術的需求日趨強烈，但新能源汽車后市場的發(fā)展還不成熟，對新能源汽車的檢測與維修還剛剛起步[1]。學習新能源汽車技術不僅要求電工電子理論基礎好，還要求實踐動手能力強，實踐學習必須在整車或者實訓設備上進行。而新能源整車的實物價格高、體積大，汽車啟動后高壓部件在實訓操作過程中非常危險，更甚者會造成觸電傷亡事故[2-3]。尤其在安排大量學生進行新能源汽車實訓時，學生的失誤操作多，使得高壓系統(tǒng)變得非常危險。再者，使用新能源汽車整車實訓時，拆解汽車耗時費力[4]。另外，新能源汽車的高壓上電流程復雜，技術難度高，難于理解其具體的原理及工作流程。新能源汽車中的電信號傳輸以及內部元件的電流流動方向不可見，一些車載網(wǎng)絡信號的傳輸需要教師去指出并且說明，學生不能直觀的觀察到整個過程當中信號的發(fā)送與接收，也不能觀察到電流的流動過程，導致學生學習新能源汽車技術晦澀難懂，教學效果差[4]。

1 研究現(xiàn)狀

縱觀汽車后市場，新能源汽車技術的實踐教學設備不多，而且大部分采用傳統(tǒng)方法改造整車制作而成，對比現(xiàn)有技術，在新能源汽車實訓設備上采用基于溫變技術的視覺變化裝置尚屬首例。本文研究的基于點觸互動的新能源汽車高壓上電實訓系統(tǒng)，在高壓上電線網(wǎng)系統(tǒng)中通過視覺變化裝置的變化來模擬高壓電的傳輸過程，并未真正使用300V以上的高壓電，解決了在新能源汽車實訓時，可能會發(fā)生的高壓觸電風險的問題[5-6]。高壓上電線網(wǎng)系統(tǒng)中的各模塊和控制系統(tǒng)中的各模塊均采用視覺變化裝置，通過高壓上電控制系統(tǒng)中各模塊之間視覺變化裝置的變化模擬高壓上電控制系統(tǒng)內的各個模塊的信號的發(fā)送與接收，模擬高壓上電線網(wǎng)系統(tǒng)在接收了控制信號后的具體電流的流向，使學生能夠更加直觀的了解新能源汽車的高壓上電過程。

2 工作原理設計

2.1 汽車高壓上電原理

實訓系統(tǒng)的設計模擬真實的新能源汽車高壓上電信號流程，將點觸筆分別與控制裝置和手機移動端相連接，點觸實訓臺上的實物部件，學生可在移動端上查看對應模塊的相關信息(如模塊的具體功能、模塊的實物照片等)，也可以點觸對應的流程控制按鈕，控制高壓上電的視覺變化裝置進行流程慢動作演示。高壓上電的具體流程設計如下：參考圖1新能源汽車高壓上電電路圖，BCM(車身控制模塊)接收到上電信號(Power按鈕和剎車開關信號)，BCM初始化自檢成功，整車狀態(tài)正常，高壓回路的所有ECU(微控制單元)狀態(tài)正確且可通訊，沒有節(jié)點報2級以上故障，BCM檢測高壓互鎖回路連通，Keyless ECU進行鑰匙防盜檢測，正常后，接通ig1繼電器以喚醒儀表，接通ig3雙路電繼電器喚醒動力網(wǎng)上的BMS(動力電池管理系統(tǒng))和VTOG(比亞迪電機控制器)等控制器并自檢聯(lián)網(wǎng)，檢測無交流充電槍連接信號，電機防盜匹配成功，同時BCM發(fā)送上電閉合接觸器請求給BMS。

圖1 新能源汽車高壓上電電路圖1.主正接觸器 2.主負接觸器 3.主接觸器 4.預充接觸器 5.Power按鈕 6.剎車踏板 7.鑰匙 8.選檔桿 9.油門踏板 10.超級電容

隨后，BMS喚醒并初始化自檢，檢測BMS的軟硬件狀態(tài)、初始化I/O口狀態(tài)、采集單體電池的電壓、溫度有無超標，均衡是否超標，電池包的內部絕緣狀態(tài)，檢查BMS內存里面的故障記錄信息等。若初始化自檢沒有錯誤，BMS的內存里無2級以上的故障信息，且BMS初始化時間沒有超過設定的閾值，則初始化成功，BMS進入等待狀態(tài)，等待BCM的上電請求。

一旦接收到上電請求，BMS首先閉合動力電池包內的母線主正接觸器KM2，然后閉合預充電接觸器KM3，電池進入預充電狀態(tài)，預充電接觸器KM3電氣側總電壓開始上升，在設定的時間內，預充電接觸器KM3高壓側的電壓超過動力電池組總電壓的90%，接觸器觸點狀態(tài)檢測正確(高壓電壓以及接觸器閉合判斷)，短路檢測和高壓回路絕緣檢測正常，則判定預充電成功。VTOG控制器發(fā)送預充成功給BMS和儀表，BMS閉合主正接觸器KM4，預充電接觸器KM3打開，電池狀態(tài)跳轉到工作狀態(tài)；否則判定預充電過程失敗，主正接觸器KM4不能閉合，預充電接觸器KM3打開，電池狀態(tài)進入預充電失敗狀態(tài)，發(fā)送相應的故障等級給BCM，打開電池包內的母線主負接觸器KM1。VTOG泄放模塊可檢測超級電容/輸入母線電壓來判斷是否預充完成，BMS通過can通知儀表上電完成，ok燈點亮[7-8]。

2.2 點觸系統(tǒng)原理

點觸互動系統(tǒng)由點觸筆(含微型攝像頭)、隱形識別碼、手機移動端、控制裝置組成。在高壓上電線網(wǎng)系統(tǒng)以及高壓上電控制系統(tǒng)的各個模塊上貼對應的隱形碼，點觸筆上的微型攝像頭抓拍上述隱形碼，隨后筆上的微控制器MCU判斷圖像清晰度是否合適，如果合適，進行硬件電路解碼并查找對應的隱形碼的碼值索引[9-10]。

該索引會進行兩路處理：第一，點觸工具上的微控制器將碼值通過通訊接口傳送給解碼電路，該解碼電路根據(jù)碼值將儲存在點觸工具儲存器中相應的語音文件通過發(fā)音設備發(fā)出，點觸工具語言播報實訓系統(tǒng)總成的名稱。第二，經(jīng)wifi無線傳輸，送給大屏幕觸摸電腦一體機和手機移動端。電腦一體機中的點觸程序接收到的碼值索引并提取數(shù)據(jù)庫中對應的編碼信息，隨后程序根據(jù)編碼信息顯示實訓系統(tǒng)對應的顯示內容和語音解說[4]。手機移動端app會調出點觸過的實物設備的照片和文字說明以及彈出對應的視頻，介紹該模塊的相關功能，便于學生學習。另外，在點觸筆的末端設計一個按鈕，按下該按鈕后，控制裝置會控制高壓上電流程暫停在現(xiàn)在所處的位置上，教師可利用該暫停對該模塊或上電過程進行詳解，直至彈起所述點觸筆末端的按鈕，所述控制裝置接收到按鈕回彈的信號后，高壓上電流程繼續(xù)進行。

3 結構設計

實訓系統(tǒng)的正面面板印制高壓上電電路圖，如圖2所示。首先，在面板上安裝部分體積較小的實物零件如：主正接觸器模塊1、主負接觸器模塊2、主接觸器模塊3、預充接觸器模塊4、Power按鈕模塊5、剎車踏板模塊6、鑰匙模塊7、選檔桿模塊8以及油門踏板模塊9均采用新能源汽車上對應的零部件進行展示。第二，在正面面板上安裝視覺變化裝置——信號燈帶。普通電壓信號的變化采用led小號燈帶，分藍、紅色、綠三種顏色，can數(shù)據(jù)信號的傳遞采用小號彩色燈帶，高壓電路DC的回流信號采用紅色大號燈帶來顯示。第三，安裝視覺變化裝置——氣體溫變管路系統(tǒng)，在正面面板上各高壓模塊間鋪設氣管(采用溫變技術)，在溫度大于75°時，氣管由無色變紅色。鋪設的氣管隨面板電路原理圖的走向，主要有：主正接觸器到主負接觸器段(實訓臺工作后達到工作狀態(tài)后變?yōu)槌＜t色)、主正接觸器到預充接觸器段、預充接觸器到超級電容段、主正接觸器到主接觸器段、主接觸器到超級電容段、超級電容到電機控制器段。

圖2 新能源汽車高壓上電實訓系統(tǒng)

在實訓系統(tǒng)面板內部安裝壓力容器設備，在實訓臺正常工作啟動前保持壓力容器內蒸汽壓力恒定，壓力容器設置的參數(shù)為電源：220 V-50 Hz,功率800 W，容量150 mL，口徑5 cm，工作壓力設置恒定150 kPa，限壓壓力200 kPa，保溫溫度85°，默認保壓時間為100 min。同時，壓力容器設有50 mL自動補液罐，液體采用乙醇—水基型的紅色液體，沸點80 ℃。氣體管路具有耐壓220 kPa、采用透明材質并涂敷感溫變色材料[11-12]。

除了高壓線路鋪設感溫氣管外，還需在電路圖上每個接觸器對應的地方安裝氣管通斷電磁閥，用來控制氣流。如在主正、負接觸器、預充接觸器和主接觸器都裝有電磁閥。在電路圖上超級電容處安裝一個20 mL的容器用來存放混合態(tài)氣液體，并在該容器裝一個泄壓電磁閥和預壓單向閥(壓力高時，自動關斷)。該容器的安裝高度要高于壓力容器的補液罐，在各電磁閥都斷電的情況下，20 mL的容器自動泄壓，液體可自動流回壓力容器的50 mL補液罐里。在氣管上的各個電磁閥前都安裝有溫度傳感器和氣體壓力傳感器去監(jiān)測上一個電磁閥打開后的氣體傳輸狀態(tài)，并反饋上一個電磁閥打開后高溫高壓氣體是否抵達本段氣管的尾端(電磁閥)，進而控制上一個電磁閥后視覺變化裝置中流水燈的流速，進而還可保證高溫高壓氣體信號傳輸?shù)目煽啃?。上述溫度傳感器還會將高溫蒸氣信號送給控制系統(tǒng)，進一步控制視覺變化裝置顯示信號傳遞的過程(流水燈慢動作演示)。最后，在實訓系統(tǒng)面板上掛D檔，踩油門踏板時，若三相電機達到了工作條件(超級電容處設置的氣罐容器內的壓力和溫度達到設定閥值)，則此處的感溫材料氣管會逐漸變紅顯示高壓電過來，并且電機控制器到電機UVW段(三相岔開三色顯示)到DC-的led燈帶顯示高壓電回流效果。

4 結 語

針對新能源汽車技術的實踐教學設備的不足，提出了一套應用于新能源汽車高壓上電教學的點觸互動實訓系統(tǒng)的方法，采用基于溫變技術的視覺變化裝置使得新能源汽車的高壓上電過程從不可視變成可視，使得學生可以更好的理解新能源汽車的高壓上電過程，同時通過點觸系統(tǒng)、手機移動端能夠對新能源汽車高壓上電中各相關模塊有更清晰的了解，并且可隨意運用點觸工具在實訓系統(tǒng)上對新能源汽車進行互動式學習，提升學生的好奇心，彌補傳統(tǒng)實訓設備實操互動少，結構功能簡單、學生不感興趣，利用率低下等問題，同時為企業(yè)能研發(fā)出實用的新能源汽車實訓設備提供借鑒。