□ 金澤升 □ 左萬里 □ 周滔滔 □ 李盈昆

寧波大學(xué) 機械工程與力學(xué)學(xué)院 浙江寧波 315211

1 設(shè)計背景

隨著環(huán)境污染、石油資源短缺等問題日益嚴(yán)峻,各大汽車公司開始大力發(fā)展電動汽車。為了推動國內(nèi)電動汽車行業(yè)的發(fā)展,中國汽車工程學(xué)會于2013年開始舉辦中國大學(xué)生電動方程式大賽。這一賽事參考國外高校電動方程式賽事規(guī)則,要求大學(xué)生設(shè)計制造一輛安全的電動賽車,完成機械檢、電檢、淋雨等安全測試,并且能夠完成一系列靜態(tài)賽和動態(tài)賽項目。電氣系統(tǒng)是電動方程式賽車的“神經(jīng)”,承擔(dān)著能量與信息傳遞的功能,對電動方程式賽車的動力性、經(jīng)濟性、安全性等有很大影響。在賽前檢查中,電檢較為復(fù)雜嚴(yán)格,通過率僅為60%左右。由此可見,設(shè)計一套合理、符合規(guī)則要求的電動方程式賽車電氣系統(tǒng)非常重要。筆者對電動方程式賽車電氣系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。

2 高壓動力系統(tǒng)

2.1 原理

高壓動力系統(tǒng)指電動方程式賽車內(nèi)部與動力電池直流母線相連或由動力電池驅(qū)動的高壓驅(qū)動零部件系統(tǒng)。電動方程式賽車高壓動力系統(tǒng)主要包括電機及其控制器、電池箱、高壓盒,原理如圖1所示。

2.2 電機及其控制器

在電動方程式賽車中,電機需要具有良好的動力性能。為了實現(xiàn)輕量化,電機的質(zhì)量和體積還要盡可能小。

電機的峰值功率需要滿足最高車速、加速時間、最大爬坡度三者的最大功率需求。

考慮到賽道的平穩(wěn)性,最大爬坡度可以忽略不計,則電機的峰值功率主要由最高車速時的功率和最大加速度時的功率決定。

參考兄弟院校往年的設(shè)計,初步確定電動方程式賽車的基本參數(shù)和性能指標(biāo),分別見表1、表2。

表1 電動方程式賽車基本參數(shù)

表2 電動方程式賽車性能指標(biāo)

根據(jù)汽車?yán)碚撝械钠嚬β势胶夤?電動方程式賽車在最高車速時所需的功率Pmax1為:

(1)

▲圖1 電動方程式賽車高壓動力系統(tǒng)原理

式中:vmax為最高車速,取120 km/h;η為傳動效率,為0.9;m為載質(zhì)量,取260 kg;g為重力加速度;f為滾動阻力因數(shù),為0.015;CD為風(fēng)阻因數(shù),為0.35;A為迎風(fēng)面積,為1.1 m2。

計算得電動方程式賽車在最高車速時所需的功率為11.12 kW。

根據(jù)初步確定的電動方程式賽車性能指標(biāo),75 m直線加速需要在4.5 s內(nèi)完成,加速所需功率Pmax2為:

(2)

式中:v為加速后期車速,取80 km/h;δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算因數(shù),取1.04;t為加速后期時間。采用近似處理,可以將式(2)轉(zhuǎn)換為:

(3)

式中:t1為75 m加速時間,取4.5 s。

計算得電動方程式賽車75 m直線加速所需功率為70.53 kW,由此可得電機的峰值功率為70.53 kW。參考國內(nèi)外車隊的設(shè)計,選擇EMRAX228永磁同步電機,并適配UNITEK電機控制器。EMRAX228永磁同步電機參數(shù)見表3。

表3 EMRAX228電機參數(shù)

2.3 電池箱

電池箱是電動方程式賽車的動力源。根據(jù)賽事規(guī)則,電池箱應(yīng)當(dāng)由多個模組組成,每個模組的最高電壓不可超過120 V,每個模組的最大容量不可超過1.67 kW?h。電池箱總?cè)萘啃枰_保能夠完成耐久賽。目前市場上主流的動力電池類型有鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池。三者相比,鋰離子電池具有較高的功率密度和能量密度,更適用于電動方程式賽車,由此選擇三元聚合物鋰離子電池。

電池箱總電壓應(yīng)處于電機工作電壓區(qū)間內(nèi),即電池箱滿電時最高電壓小于電機最高電壓。同時,電池箱的輸出功率滿足電機峰值功率需求。因此,電芯串聯(lián)數(shù)N應(yīng)滿足:

(4)

式中:Umax為電機最高電壓,為470 V;Vbmax為單體電芯滿電電壓,取4.2 V;Ppeak為電機峰值功率,為100 kW;Pb為單體電芯放電功率,取1.2 kW;ηe為電機效率,取90%;ηec為電機控制器效率,取95%。

經(jīng)過計算,電芯串聯(lián)數(shù)在111.9～68.7之間,設(shè)計為110。

電池箱容量匹配采用等速法計算,設(shè)電動方程式賽車以速度ve等速行駛,只受行駛阻力和空氣阻力,那么完成耐久賽所需消耗的能量We為:

We=Pet=PeS/ve

(5)

(6)

式中:Pe為電動方程式賽車等速行駛所需功率;S為耐久賽里程。

另外,電池箱總能量需要大于電動方程式賽車完成耐久賽消耗的能量,即:

WbξSOC≥We

(7)

式中:Wb為電池箱存儲總能量;ξSOC為電池箱有效放電因數(shù),取90%。

電池箱總能量與單體電芯容量存在以下關(guān)系:

Wb=pNCbVb

(8)

式中:p為并聯(lián)組數(shù);Cb為單體電芯額定容量;Vb為單體電芯額定電壓。

根據(jù)計算和規(guī)則限制,選取型號為PC16N-P,容量為16 A·h,額定電壓為3.7 V,最高電壓為4.35 V的三元電芯。電池箱電芯串聯(lián)總數(shù)為110,并聯(lián)數(shù)為1,一共分為五個模組,每個模組采用1并22串的方式連接,最高電壓為95.7 V,最大能量為1.3 kW?h。模組之間使用帶鎖定功能的維護插頭連接。為保護整流器的元件不會因電容瞬時短路電流而損壞,在直流母線上設(shè)計預(yù)充電路,由預(yù)充繼電器和預(yù)充電阻組成,預(yù)充電阻相關(guān)計算式為:

(9)

式中:t2為預(yù)充電時間;R為預(yù)充電阻;C為負(fù)載端電容;Vbat為電池包電壓;V0為負(fù)載端閉合高壓前的電壓,可表示為0;Vpre為負(fù)載端預(yù)充結(jié)束時的電壓。

通高壓電時,先閉合主負(fù)繼電器和預(yù)充繼電器進(jìn)行預(yù)充,在預(yù)充電壓達(dá)到90%電池總電壓時,斷開預(yù)充繼電器,同時閉合主正繼電器完成充電。繼電器的斷開和閉合則由電池管理系統(tǒng)通過控制繼電器的線圈觸點是否接地來實現(xiàn)。電池箱三維模型如圖2所示,實物如圖3所示。

▲圖2 電池箱三維模型

▲圖3 電池箱實物

2.4 高壓盒

為保證緊急狀態(tài)下能夠迅速切斷高壓電,在電池箱外負(fù)極母線上串聯(lián)高壓斷開裝置,負(fù)極母線通過高壓斷開裝置與高壓盒連接。高壓盒內(nèi)部設(shè)置能量計、霍爾電流傳感器、電壓傳感器、放電回路、身體保護電阻、驅(qū)動系統(tǒng)測量點。傳感器用于檢測電池箱外直流母線上的電流和電壓大小,檢測結(jié)果傳輸至低壓電路板用于決策判斷。電流經(jīng)過電機控制器后,由逆變器轉(zhuǎn)換為三相電輸入電機。

3 低壓控制系統(tǒng)

3.1 原理

為了確保在緊急狀態(tài)下能夠迅速切斷高壓動力輸出,電動方程式賽車設(shè)計了安全回路。低壓控制系統(tǒng)的設(shè)計主要圍繞安全回路展開,安全回路原理如圖4所示。

由安全回路原理可知,電池箱內(nèi)的繼電器能否閉合通高壓電,主要由兩個條件決定,一是電池箱外安全回路上所有開關(guān)閉合導(dǎo)通,二是電池管理系統(tǒng)主控板控制繼電器線圈觸點接地。為了電動方程式賽車能夠在斷電后主動釋放高壓回路中殘存的電能,還設(shè)置了放電回路。當(dāng)安全回路導(dǎo)通時,安全回路末端常閉放電繼電器斷開,不放電,通高壓電。當(dāng)安全回路斷開時,高壓斷電,安全回路末端常閉放電繼電器閉合,對電池箱外剩余電壓進(jìn)行快速放電。

▲圖4 安全回路原理

3.2 制動可靠性檢查裝置

制動可靠性檢查裝置是一塊保護性電路板,防止在制動壓力大于等于3 MPa時電池箱輸出功率依然高于5 kW。采用壓力傳感器檢測制動液壓回路壓力,采用霍爾電流傳感器檢測負(fù)極母線上的高壓電流,輸出電壓范圍均為0.5～5 V。作為直接關(guān)系車手安危的檢測裝置,制動可靠性檢查裝置所有輸入信號都需要進(jìn)行可靠性檢測,檢測是否對地短路。

制動可靠性檢查裝置判斷模塊如圖5所示,10 s延時模塊如圖6所示,安全回路開閉控制模塊如圖7所示。LM339芯片檢測壓力輸入(In Bral)信號和電流輸入(In E)信號是否低于對地短路閾值(BH、EH)。LM339芯片與74AH或非門芯片判斷檢測壓力輸入信號和電流輸入信號是否沖突。當(dāng)兩者出現(xiàn)故障狀態(tài)時,會輸出高電平信號(OUT1、OUT2、OUT3)至74LV或門芯片,74LV或門芯片輸出高電平信號(AOUT)使10 s延時電路中的三極管導(dǎo)通,信號10變?yōu)楦唠娖?經(jīng)過LM339芯片后輸出低電平信號(FOUT),斷開安全回路繼電器。當(dāng)所有故障狀態(tài)清除后,由于電阻電容延時回路的作用,信號10依舊會保持高電平狀態(tài),直至電阻電容回路放電,使信號10電壓低于閾值,安全回路復(fù)位。規(guī)則要求信號沖突持續(xù)500 ms后才有效,對此同樣設(shè)置電阻電容回路。經(jīng)過計算,兩個電阻電容回路的閾值電壓分別為0.75 V和2.5 V時可以滿足要求。

3.3 驅(qū)動系統(tǒng)激活指示燈

驅(qū)動系統(tǒng)激活指示燈用于指示驅(qū)動系統(tǒng)狀態(tài)。根據(jù)規(guī)則,驅(qū)動系統(tǒng)激活指示燈有三種狀態(tài)。僅低壓系統(tǒng)啟動時,驅(qū)動系統(tǒng)激活指示燈亮綠燈。電池箱內(nèi)主正繼電器和主負(fù)繼電器中有一個閉合,或預(yù)充繼電器閉合,或電池箱外的電壓達(dá)到60 V時,視為驅(qū)動系統(tǒng)處于激活狀態(tài),驅(qū)動系統(tǒng)激活指示燈紅燈閃爍。當(dāng)電壓歧義,即電池箱內(nèi)箱外電壓不一致,或信號異常,即信號線斷開時,驅(qū)動系統(tǒng)激活指示燈熄滅。采用雙繼電器來得到三種狀態(tài),驅(qū)動系統(tǒng)激活指示燈控制模塊如圖8所示。繼電器SRD負(fù)責(zé)控制紅燈閃爍還是亮綠燈,基于信號OUT進(jìn)行控制。繼電器SMI負(fù)責(zé)控制是否亮燈,基于信號SOUT進(jìn)行控制。

▲圖5 制動可靠性檢查裝置判斷模塊

▲圖6 制動可靠性檢查裝置10 s延時模塊

▲圖7 制動可靠性檢查裝置安全回路開閉控制模塊

▲圖8 驅(qū)動系統(tǒng)激活指示燈控制模塊

輔助觸點與繼電器開關(guān)機械狀態(tài)同步,因此電池箱內(nèi)主正繼電器、主負(fù)繼電器與預(yù)充繼電器機械狀態(tài)可以通過繼電器輔助觸點電壓進(jìn)行區(qū)分。電池箱外電壓由電壓傳感器測得,電壓傳感器輸出值為采集電壓的1/100。

驅(qū)動系統(tǒng)狀態(tài)區(qū)分模塊如圖9所示。輔助觸點一端在電池箱內(nèi)接通13 V低壓電池,輔助觸點未閉合,即僅低壓系統(tǒng)啟動且無信號異常狀態(tài)時,F3為1.6 V,大于0.45 V閾值電壓,小于2.5 V閾值電壓,電池箱外電壓傳感器輸出值為0,小于0.45 V閾值電壓,因此可得信號OUT1、OUT2、OUT3、OUT4均為低電平,信號OUT、SOUT也為低電平,繼電器SRD、SMI均不閉合,驅(qū)動系統(tǒng)激活指示燈亮綠燈。

當(dāng)繼電器閉合且信號無異常時,信號SOUT為低電平,輔助觸點閉合,輸出13 V,經(jīng)過分壓電路F3為3 V,大于2.5 V閾值電壓,信號OUT3為高電平,電池箱外電壓傳感器輸出值大于0.45 V,信號OUT1為高電平,由此信號OUT為高電平,繼電器SRD閉合,驅(qū)動系統(tǒng)激活指示燈紅燈閃爍。

通信端口信號線斷開,F3下拉為0 V,小于0.45 V

▲圖9 驅(qū)動系統(tǒng)狀態(tài)區(qū)分模塊

閾值電壓,信號OUT2、SOUT為高電平,繼電器SMI閉合,驅(qū)動系統(tǒng)激活指示燈熄滅。

總判斷模塊如圖10所示。當(dāng)電壓歧義時,異或門輸出高電平信號OUT4,使信號SOUT為高電平,繼電器SMI閉合,驅(qū)動系統(tǒng)激活指示燈熄滅。另一方面,驅(qū)動系統(tǒng)激活指示燈在斷開安全回路的情況下也能正常工作,即驅(qū)動系統(tǒng)激活指示燈僅有狀態(tài)指示功能,沒有控制功能。

▲圖10 總判斷模塊

3.4 故障鎖存裝置

當(dāng)安全回路被電池管理系統(tǒng)或絕緣檢測裝置斷開時,驅(qū)動系統(tǒng)必須通過硬件保持被斷開的狀態(tài),直到被除車手以外的人手動重置,從而保障故障被及時檢修。為了滿足以上要求,采用故障鎖存裝置。

絕緣檢測裝置正常情況下輸出12 V,在檢測到絕緣短路故障時會輸出0 V。所采用的電池管理系統(tǒng)自帶故障鎖存功能,只需要設(shè)計故障指示燈電路即可。但是,電池管理系統(tǒng)正常情況下故障輸出端口懸空,在檢測到故障時故障輸出端口會對地導(dǎo)通,并沒有實質(zhì)上的輸出,因此需要在電池箱內(nèi)添加上拉電阻來賦予電池管理系統(tǒng)故障輸出端口狀態(tài)。

故障鎖存原理如圖11所示。故障信號通過輸入端至LM339芯片進(jìn)行比較,當(dāng)絕緣檢測裝置或電池管理系統(tǒng)信號輸入電壓小于10 V時,信號分壓后小于2.5 V閾值電壓,信號OUT2、OUT3輸出高電平,從而控制繼電器BMS1和SMI閉合,安全回路斷開,故障指示燈點亮。繼電器SMI具備自鎖功能,用于實現(xiàn)故障鎖存。一旦信號OUT2輸入高電平,繼電器SMI形成自鎖,后續(xù)不再受到信號OUT2控制。復(fù)位按鈕一端連接信號IMD+,一端接地。按下復(fù)位按鈕,會取消繼電器SMI的自鎖功能。印制電路板實物如圖12所示。

4 通電控制流程

電動方程式賽車控制系統(tǒng)工作原理如圖13所示。閉合低壓主開關(guān)后,低壓電器通電,整車自檢。此時驅(qū)動系統(tǒng)激活指示燈亮綠燈,絕緣檢測裝置、電池管理系統(tǒng)對應(yīng)的故障指示燈會有1～3 s閃爍,進(jìn)行可視性檢查。再按下高壓主開關(guān),安全回路閉合,電池箱內(nèi)繼電器正端為12 V,負(fù)端由電池管理系統(tǒng)控制,此時負(fù)端并沒有接地,所以電池箱內(nèi)繼電器未閉合。之后按下ON按鈕,電池管理系統(tǒng)收到高電平信號,控制預(yù)充繼電器、主負(fù)繼電器負(fù)端接地,同時放電繼電器斷開。預(yù)充完成后,閉合主正繼電器,高壓回路通電,但由于電控系統(tǒng)的控制,電機不會對油門踏板做出響應(yīng),此時驅(qū)動系統(tǒng)激活指示燈紅燈閃爍,電動方程式賽車進(jìn)入驅(qū)動系統(tǒng)激活狀態(tài)。當(dāng)電控系統(tǒng)同時檢測到待駛按鈕信號和制動踏板信號時,電動方程式賽車進(jìn)入待駛狀態(tài),此時電控系統(tǒng)控制電機能夠?qū)τ烷T踏板做出響應(yīng)。

▲圖11 故障鎖存原理

▲圖12 印制電路板實物

5 實車測試分析

為了驗證所設(shè)計的電動方程式賽車電氣系統(tǒng)的合理性,需要進(jìn)行實車測試。為確保安全,首先在靜止?fàn)顟B(tài)下測試各功能是否正常,能否順利通高壓電,指示燈是否可以表示電動方程式賽車狀態(tài)。僅通低壓電時,驅(qū)動系統(tǒng)激活指示燈亮綠燈。通高壓電后,電動方程式賽車進(jìn)入驅(qū)動狀態(tài),驅(qū)動系統(tǒng)激活指示燈紅燈閃爍。當(dāng)絕緣檢測裝置、電池管理系統(tǒng)發(fā)生故障時,對應(yīng)的故障指示燈亮紅燈,同時TS OFF指示燈亮綠燈,代表電動方程式賽車已退出驅(qū)動狀態(tài)。清除故障后,按復(fù)位按鈕,故障指示燈熄滅,可以重新通電。進(jìn)行制動可靠性裝置測試時,需要將電動方程式賽車架空,通高壓電激活驅(qū)動狀態(tài),按壓加速踏板超過一定行程后,同時按下制動踏板,電動方程式賽車退出驅(qū)動狀態(tài),10 s后可再次進(jìn)入驅(qū)動狀態(tài)。實車測試結(jié)果均滿足設(shè)計要求。

▲圖13 電動方程式賽車控制系統(tǒng)工作原理

靜止?fàn)顟B(tài)測試通過后,開始動態(tài)測試。針對賽事項目,重點測試75 m直線加速和耐久賽。75 m直線加速體現(xiàn)電動方程式賽車的加速能力,耐久賽不僅體現(xiàn)電動方程式賽車的續(xù)航能力,而且可以測試電氣系統(tǒng)在長時間運行下的穩(wěn)定性。

在封閉道路上選定75 m距離,用秒表記錄電動方程式賽車起步開始到通過75 m處的時間,共測試三次,取平均值。75 m直線加速測試結(jié)果見表4。由表4可知,電動方程式賽車起步駛過75 m需5.28 s,比設(shè)計目標(biāo)4.5 s長17%,考慮到測試設(shè)備帶來的測試誤差,駕駛?cè)藛T非專業(yè)車手,認(rèn)為這一誤差在可接受范圍內(nèi),電動方程式賽車加速能力滿足設(shè)計要求。

表4 75 m直線加速測試結(jié)果

通過模擬競賽賽道進(jìn)行耐久賽測試,電動方程式賽車持續(xù)行駛22 km。耐久賽測試車況如圖14所示,通過控制器局域網(wǎng)總線數(shù)據(jù)記錄儀采集車況數(shù)據(jù)。由圖14可以看出,因賽道彎道多、直道短,導(dǎo)致車手頻繁加減速,車速變化頻率大,工況較為極端。車速總體在5～80 km/h范圍內(nèi)波動,最高車速達(dá)到80 km/h,平均車速為48 km/h。為了確保安全,每駕駛一段時間停車檢查車況。電動方程式賽車行駛22 km的總耗時為1 650 s,即約27.5 min,符合賽事要求,續(xù)航能力滿足設(shè)計目標(biāo)。此外,通過監(jiān)測電池箱內(nèi)主繼電器狀態(tài),發(fā)現(xiàn)電動方程式賽車在行駛中并未因突發(fā)故障而斷電,測試中段斷電是因更換車手而人為斷電。由此可以驗證電動方程式賽車電氣系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

▲圖14 耐久賽測試車況

6 結(jié)束語

根據(jù)中國大學(xué)生電動方程式大賽規(guī)則,筆者設(shè)計了電動方程式賽車電氣系統(tǒng),由高壓動力系統(tǒng)和低壓控制系統(tǒng)組成。

通過參數(shù)匹配計算及功能需求分析,設(shè)計了高壓動力系統(tǒng)和低壓控制系統(tǒng)。經(jīng)過實際組裝、測試,電動方程式賽車各項性能均符合賽事要求,驗證了設(shè)計的合理性與穩(wěn)定性。