FSEC赛车整车电气系统的优化设计

李加龙　黄碧雄　甘梓又　李博　韦佳贝

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2010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。

关键词：FSEC;电气系统;优化设计

中图分类号：TM921.0  文献标志码：A  文章编号：1671-0797（2022）11-0028-04

0    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]。

1    电气系统

1.1    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500 Ω/V

DC，与最大牵引系统工作电压有关，牵引系统的最大电压为DC469.8 V，IMD为234.9 kΩ。如果打开12 V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2 s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將被识别，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2 s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5 kW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3 MPa（30 bar）时的电压。当信号大于2.45 V时，超出所设定的电压比较阈值，即此时电机功率大于5 kW，LM393输出高电平信号;当信号小于2.45 V且大于2 V时，输出低电平信号。该电路不设置10 s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≥5 kW。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≤3 MPa（30 bar）[2]。

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

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[4]。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DC12 V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Simulink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DC300 V，最大功率为80 kW。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1.59×10-8 Ω·m增加到2.32×10-8 Ω·m，增加46%。

在方程式赛车电路中，最大驱动速度约为120 km/h，电动马达的最大转速为20 000 r/min，轮胎直径为0.37 m，计算得出车轮转速（n2）约为1 721 r/min，齿轮比（i）为11.6[5]。

公式（4）和（5）表明，高传动比对于扭矩和速度的转换是必要的，由于空间和重量的原因，选择了在行星级上具有中间减速功能的行星齿轮箱。

电机控制器与每个电机配对，以保证模拟信号（油门信号、故障信号）的输入，并通过控制一个正弦或脉宽调制的高功率信号驱动电力到电机。每次改变逆变器或电机时必须配置解析器的偏移，通过公式（4）和（5）计算验证进行自动调优。

5    结语

本文主要对方程式电动赛车电气控制系统进行设计优化，对电气系统、电传动系统进行了重新计算，对结果进行了设计优化，使其符合赛车要求，将设计成果转化为工程应用。同时，结合FSEC纯电动赛车的电气特点，通过工程应用验证了设计的可行性，其整车动力性、操纵稳定性、行驶平顺性等性能良好，达到了设计目标[6]。

[参考文献]

[1] 王斌，赵雷雷.电动汽车电气系统简析[J].汽车实用技术，2013（3）：32-35.

[2] 张丽.电动汽车电气系统故障分析与可靠性提高方法[J].科技风，2017（14）：22.

[3] LI Y X，HONG H C，D'APOLITO L.Reliability control of electric racing car's accelerator and brake pedals[J].World Electric Vehicle Journal，2020，12（1）：1.

[4] LEOTTA F.Design of a battery pack for a formula SAE racing car[D].Turin：Politecnico di Torino，2019.

[5] SULLIVAN Q J B.The design，implementation，evaluation and results of a race car for the collegiate formula SAE electric competition[D].Portland：Portland State University，2016.

[6] 殷国栋，柏硕，庄伟超，等.一种纯电动方程式赛车整车电气系统：CN202010850348.5[P].2020-08-21.

收稿日期：2022-03-02

作者简介：李加龙（2000—），男，广西桂林人，研究方向：机械电子工程。

通信作者：黄碧雄（1983—），男，福建福安人，硕士，实验师，研究方向：新能源汽车动力电池。

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.11.008

基金项目：2021年上海市大學生创新训练项目“FSEC赛车低压系统的设计及优化”（cs2101005）