□ 金澤升 □ 左萬里 □ 周滔滔 □ 李盈昆

寧波大學(xué) 機(jī)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(jī)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(jì)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(jī)及其控制器、電池箱、高壓盒,原理如圖1所示。

2.2 電機(jī)及其控制器

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

電機(jī)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(jī)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(jī)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(jī),并適配UNITEK電機(jī)控制器。EMRAX228永磁同步電機(jī)參數(shù)見表3。

表3 EMRAX228電機(jī)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(jī)工作電壓區(qū)間內(nèi),即電池箱滿電時最高電壓小于電機(jī)最高電壓。同時,電池箱的輸出功率滿足電機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)效率,取90%;ηec為電機(jī)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(hù)插頭連接。為保護(hù)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(diǎn)是否接地來實(shí)現(xiàn)。電池箱三維模型如圖2所示,實(shí)物如圖3所示。

▲圖2 電池箱三維模型

▲圖3 電池箱實(shí)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(hù)電阻、驅(qū)動系統(tǒng)測量點(diǎn)。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(jī)控制器后,由逆變器轉(zhuǎn)換為三相電輸入電機(jī)。

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(diǎn)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(hù)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(diǎn)與繼電器開關(guān)機(jī)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(jī)械狀態(tài)可以通過繼電器輔助觸點(diǎn)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(diǎn)一端在電池箱內(nèi)接通13 V低壓電池,輔助觸點(diǎn)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(diǎn)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(shí)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(diǎn)亮。繼電器SMI具備自鎖功能,用于實(shí)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(shí)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(jī)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(jī)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(shí)物

5 實(shí)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(shí)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(shí)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(diǎn)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(yùn)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(shí)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。