基于点触互动的新能源汽车高压上电实训系统的研究*

刘存山，蔡志标

(东莞职业技术学院 机电工程学院， 广东 东莞 523808)

0 引 言

随着新能源汽车的普及和使用，各类院校汽车专业的学生和社会相关人员学习新能源汽车技术的需求日趋强烈，但新能源汽车后市场的发展还不成熟，对新能源汽车的检测与维修还刚刚起步[1]。学习新能源汽车技术不仅要求电工电子理论基础好，还要求实践动手能力强，实践学习必须在整车或者实训设备上进行。而新能源整车的实物价格高、体积大，汽车启动后高压部件在实训操作过程中非常危险，更甚者会造成触电伤亡事故[2-3]。尤其在安排大量学生进行新能源汽车实训时，学生的失误操作多，使得高压系统变得非常危险。再者，使用新能源汽车整车实训时，拆解汽车耗时费力[4]。另外，新能源汽车的高压上电流程复杂，技术难度高，难于理解其具体的原理及工作流程。新能源汽车中的电信号传输以及内部元件的电流流动方向不可见，一些车载网络信号的传输需要教师去指出并且说明，学生不能直观的观察到整个过程当中信号的发送与接收，也不能观察到电流的流动过程，导致学生学习新能源汽车技术晦涩难懂，教学效果差[4]。

1 研究现状

纵观汽车后市场，新能源汽车技术的实践教学设备不多，而且大部分采用传统方法改造整车制作而成，对比现有技术，在新能源汽车实训设备上采用基于温变技术的视觉变化装置尚属首例。本文研究的基于点触互动的新能源汽车高压上电实训系统，在高压上电线网系统中通过视觉变化装置的变化来模拟高压电的传输过程，并未真正使用300V以上的高压电，解决了在新能源汽车实训时，可能会发生的高压触电风险的问题[5-6]。高压上电线网系统中的各模块和控制系统中的各模块均采用视觉变化装置，通过高压上电控制系统中各模块之间视觉变化装置的变化模拟高压上电控制系统内的各个模块的信号的发送与接收，模拟高压上电线网系统在接收了控制信号后的具体电流的流向，使学生能够更加直观的了解新能源汽车的高压上电过程。

2 工作原理设计

2.1 汽车高压上电原理

实训系统的设计模拟真实的新能源汽车高压上电信号流程，将点触笔分别与控制装置和手机移动端相连接，点触实训台上的实物部件，学生可在移动端上查看对应模块的相关信息(如模块的具体功能、模块的实物照片等)，也可以点触对应的流程控制按钮，控制高压上电的视觉变化装置进行流程慢动作演示。高压上电的具体流程设计如下：参考图1新能源汽车高压上电电路图，BCM(车身控制模块)接收到上电信号(Power按钮和刹车开关信号)，BCM初始化自检成功，整车状态正常，高压回路的所有ECU(微控制单元)状态正确且可通讯，没有节点报2级以上故障，BCM检测高压互锁回路连通，Keyless ECU进行钥匙防盗检测，正常后，接通ig1继电器以唤醒仪表，接通ig3双路电继电器唤醒动力网上的BMS(动力电池管理系统)和VTOG(比亚迪电机控制器)等控制器并自检联网，检测无交流充电枪连接信号，电机防盗匹配成功，同时BCM发送上电闭合接触器请求给BMS。

图1 新能源汽车高压上电电路图1.主正接触器 2.主负接触器 3.主接触器 4.预充接触器 5.Power按钮 6.刹车踏板 7.钥匙 8.选档杆 9.油门踏板 10.超级电容

随后，BMS唤醒并初始化自检，检测BMS的软硬件状态、初始化I/O口状态、采集单体电池的电压、温度有无超标，均衡是否超标，电池包的内部绝缘状态，检查BMS内存里面的故障记录信息等。若初始化自检没有错误，BMS的内存里无2级以上的故障信息，且BMS初始化时间没有超过设定的阈值，则初始化成功，BMS进入等待状态，等待BCM的上电请求。

一旦接收到上电请求，BMS首先闭合动力电池包内的母线主正接触器KM2，然后闭合预充电接触器KM3，电池进入预充电状态，预充电接触器KM3电气侧总电压开始上升，在设定的时间内，预充电接触器KM3高压侧的电压超过动力电池组总电压的90%，接触器触点状态检测正确(高压电压以及接触器闭合判断)，短路检测和高压回路绝缘检测正常，则判定预充电成功。VTOG控制器发送预充成功给BMS和仪表，BMS闭合主正接触器KM4，预充电接触器KM3打开，电池状态跳转到工作状态；否则判定预充电过程失败，主正接触器KM4不能闭合，预充电接触器KM3打开，电池状态进入预充电失败状态，发送相应的故障等级给BCM，打开电池包内的母线主负接触器KM1。VTOG泄放模块可检测超级电容/输入母线电压来判断是否预充完成，BMS通过can通知仪表上电完成，ok灯点亮[7-8]。

2.2 点触系统原理

点触互动系统由点触笔(含微型摄像头)、隐形识别码、手机移动端、控制装置组成。在高压上电线网系统以及高压上电控制系统的各个模块上贴对应的隐形码，点触笔上的微型摄像头抓拍上述隐形码，随后笔上的微控制器MCU判断图像清晰度是否合适，如果合适，进行硬件电路解码并查找对应的隐形码的码值索引[9-10]。

该索引会进行两路处理：第一，点触工具上的微控制器将码值通过通讯接口传送给解码电路，该解码电路根据码值将储存在点触工具储存器中相应的语音文件通过发音设备发出，点触工具语言播报实训系统总成的名称。第二，经wifi无线传输，送给大屏幕触摸电脑一体机和手机移动端。电脑一体机中的点触程序接收到的码值索引并提取数据库中对应的编码信息，随后程序根据编码信息显示实训系统对应的显示内容和语音解说[4]。手机移动端app会调出点触过的实物设备的照片和文字说明以及弹出对应的视频，介绍该模块的相关功能，便于学生学习。另外，在点触笔的末端设计一个按钮，按下该按钮后，控制装置会控制高压上电流程暂停在现在所处的位置上，教师可利用该暂停对该模块或上电过程进行详解，直至弹起所述点触笔末端的按钮，所述控制装置接收到按钮回弹的信号后，高压上电流程继续进行。

3 结构设计

实训系统的正面面板印制高压上电电路图，如图2所示。首先，在面板上安装部分体积较小的实物零件如：主正接触器模块1、主负接触器模块2、主接触器模块3、预充接触器模块4、Power按钮模块5、刹车踏板模块6、钥匙模块7、选档杆模块8以及油门踏板模块9均采用新能源汽车上对应的零部件进行展示。第二，在正面面板上安装视觉变化装置——信号灯带。普通电压信号的变化采用led小号灯带，分蓝、红色、绿三种颜色，can数据信号的传递采用小号彩色灯带，高压电路DC的回流信号采用红色大号灯带来显示。第三，安装视觉变化装置——气体温变管路系统，在正面面板上各高压模块间铺设气管(采用温变技术)，在温度大于75°时，气管由无色变红色。铺设的气管随面板电路原理图的走向，主要有：主正接触器到主负接触器段(实训台工作后达到工作状态后变为常红色)、主正接触器到预充接触器段、预充接触器到超级电容段、主正接触器到主接触器段、主接触器到超级电容段、超级电容到电机控制器段。

图2 新能源汽车高压上电实训系统

在实训系统面板内部安装压力容器设备，在实训台正常工作启动前保持压力容器内蒸汽压力恒定，压力容器设置的参数为电源：220 V-50 Hz,功率800 W，容量150 mL，口径5 cm，工作压力设置恒定150 kPa，限压压力200 kPa，保温温度85°，默认保压时间为100 min。同时，压力容器设有50 mL自动补液罐，液体采用乙醇—水基型的红色液体，沸点80 ℃。气体管路具有耐压220 kPa、采用透明材质并涂敷感温变色材料[11-12]。

除了高压线路铺设感温气管外，还需在电路图上每个接触器对应的地方安装气管通断电磁阀，用来控制气流。如在主正、负接触器、预充接触器和主接触器都装有电磁阀。在电路图上超级电容处安装一个20 mL的容器用来存放混合态气液体，并在该容器装一个泄压电磁阀和预压单向阀(压力高时，自动关断)。该容器的安装高度要高于压力容器的补液罐，在各电磁阀都断电的情况下，20 mL的容器自动泄压，液体可自动流回压力容器的50 mL补液罐里。在气管上的各个电磁阀前都安装有温度传感器和气体压力传感器去监测上一个电磁阀打开后的气体传输状态，并反馈上一个电磁阀打开后高温高压气体是否抵达本段气管的尾端(电磁阀)，进而控制上一个电磁阀后视觉变化装置中流水灯的流速，进而还可保证高温高压气体信号传输的可靠性。上述温度传感器还会将高温蒸气信号送给控制系统，进一步控制视觉变化装置显示信号传递的过程(流水灯慢动作演示)。最后，在实训系统面板上挂D档，踩油门踏板时，若三相电机达到了工作条件(超级电容处设置的气罐容器内的压力和温度达到设定阀值)，则此处的感温材料气管会逐渐变红显示高压电过来，并且电机控制器到电机UVW段(三相岔开三色显示)到DC-的led灯带显示高压电回流效果。

4 结 语

针对新能源汽车技术的实践教学设备的不足，提出了一套应用于新能源汽车高压上电教学的点触互动实训系统的方法，采用基于温变技术的视觉变化装置使得新能源汽车的高压上电过程从不可视变成可视，使得学生可以更好的理解新能源汽车的高压上电过程，同时通过点触系统、手机移动端能够对新能源汽车高压上电中各相关模块有更清晰的了解，并且可随意运用点触工具在实训系统上对新能源汽车进行互动式学习，提升学生的好奇心，弥补传统实训设备实操互动少，结构功能简单、学生不感兴趣，利用率低下等问题，同时为企业能研发出实用的新能源汽车实训设备提供借鉴。