电动方程式赛车电气系统的设计

2022-11-16金泽升左万里周滔滔李盈昆

机械制造 2022年8期

□ 金泽升 □ 左万里 □ 周滔滔 □ 李盈昆

宁波大学机械工程与力学学院浙江宁波 315211

1 设计背景

随着环境污染、石油资源短缺等问题日益严峻,各大汽车公司开始大力发展电动汽车。为了推动国内电动汽车行业的发展,中国汽车工程学会于2013年开始举办中国大学生电动方程式大赛。这一赛事参考国外高校电动方程式赛事规则,要求大学生设计制造一辆安全的电动赛车,完成机械检、电检、淋雨等安全测试,并且能够完成一系列静态赛和动态赛项目。电气系统是电动方程式赛车的“神经”,承担着能量与信息传递的功能,对电动方程式赛车的动力性、经济性、安全性等有很大影响。在赛前检查中,电检较为复杂严格,通过率仅为60%左右。由此可见,设计一套合理、符合规则要求的电动方程式赛车电气系统非常重要。笔者对电动方程式赛车电气系统进行设计。

2 高压动力系统

2.1 原理

高压动力系统指电动方程式赛车内部与动力电池直流母线相连或由动力电池驱动的高压驱动零部件系统。电动方程式赛车高压动力系统主要包括电机及其控制器、电池箱、高压盒,原理如图1所示。

2.2 电机及其控制器

在电动方程式赛车中,电机需要具有良好的动力性能。为了实现轻量化,电机的质量和体积还要尽可能小。

电机的峰值功率需要满足最高车速、加速时间、最大爬坡度三者的最大功率需求。

考虑到赛道的平稳性,最大爬坡度可以忽略不计,则电机的峰值功率主要由最高车速时的功率和最大加速度时的功率决定。

参考兄弟院校往年的设计,初步确定电动方程式赛车的基本参数和性能指标,分别见表1、表2。

表1 电动方程式赛车基本参数

表2 电动方程式赛车性能指标

根据汽车理论中的汽车功率平衡公式,电动方程式赛车在最高车速时所需的功率Pmax1为:

(1)

▲图1 电动方程式赛车高压动力系统原理

式中:vmax为最高车速,取120 km/h;η为传动效率,为0.9;m为载质量,取260 kg;g为重力加速度;f为滚动阻力因数,为0.015;CD为风阻因数,为0.35;A为迎风面积,为1.1 m2。

计算得电动方程式赛车在最高车速时所需的功率为11.12 kW。

根据初步确定的电动方程式赛车性能指标,75 m直线加速需要在4.5 s内完成,加速所需功率Pmax2为:

(2)

式中:v为加速后期车速,取80 km/h;δ为旋转质量换算因数,取1.04;t为加速后期时间。采用近似处理,可以将式(2)转换为:

(3)

式中:t1为75 m加速时间,取4.5 s。

计算得电动方程式赛车75 m直线加速所需功率为70.53 kW,由此可得电机的峰值功率为70.53 kW。参考国内外车队的设计,选择EMRAX228永磁同步电机,并适配UNITEK电机控制器。EMRAX228永磁同步电机参数见表3。

表3 EMRAX228电机参数

2.3 电池箱

电池箱是电动方程式赛车的动力源。根据赛事规则,电池箱应当由多个模组组成,每个模组的最高电压不可超过120 V,每个模组的最大容量不可超过1.67 kW•h。电池箱总容量需要确保能够完成耐久赛。目前市场上主流的动力电池类型有铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池。三者相比,锂离子电池具有较高的功率密度和能量密度,更适用于电动方程式赛车,由此选择三元聚合物锂离子电池。

电池箱总电压应处于电机工作电压区间内,即电池箱满电时最高电压小于电机最高电压。同时,电池箱的输出功率满足电机峰值功率需求。因此,电芯串联数N应满足:

(4)

式中:Umax为电机最高电压,为470 V;Vbmax为单体电芯满电电压,取4.2 V;Ppeak为电机峰值功率,为100 kW;Pb为单体电芯放电功率,取1.2 kW;ηe为电机效率,取90%;ηec为电机控制器效率,取95%。

经过计算,电芯串联数在111.9～68.7之间,设计为110。

电池箱容量匹配采用等速法计算,设电动方程式赛车以速度ve等速行驶,只受行驶阻力和空气阻力,那么完成耐久赛所需消耗的能量We为:

We=Pet=PeS/ve

(5)

(6)

式中:Pe为电动方程式赛车等速行驶所需功率;S为耐久赛里程。

另外,电池箱总能量需要大于电动方程式赛车完成耐久赛消耗的能量,即:

WbξSOC≥We

(7)

式中:Wb为电池箱存储总能量;ξSOC为电池箱有效放电因数,取90%。

电池箱总能量与单体电芯容量存在以下关系:

Wb=pNCbVb

(8)

式中:p为并联组数;Cb为单体电芯额定容量;Vb为单体电芯额定电压。

根据计算和规则限制,选取型号为PC16N-P,容量为16 A·h,额定电压为3.7 V,最高电压为4.35 V的三元电芯。电池箱电芯串联总数为110,并联数为1,一共分为五个模组,每个模组采用1并22串的方式连接,最高电压为95.7 V,最大能量为1.3 kW•h。模组之间使用带锁定功能的维护插头连接。为保护整流器的元件不会因电容瞬时短路电流而损坏,在直流母线上设计预充电路,由预充继电器和预充电阻组成,预充电阻相关计算式为:

(9)

式中:t2为预充电时间;R为预充电阻;C为负载端电容;Vbat为电池包电压;V0为负载端闭合高压前的电压,可表示为0;Vpre为负载端预充结束时的电压。

通高压电时,先闭合主负继电器和预充继电器进行预充,在预充电压达到90%电池总电压时,断开预充继电器,同时闭合主正继电器完成充电。继电器的断开和闭合则由电池管理系统通过控制继电器的线圈触点是否接地来实现。电池箱三维模型如图2所示,实物如图3所示。

▲图2 电池箱三维模型

▲图3 电池箱实物

2.4 高压盒

为保证紧急状态下能够迅速切断高压电,在电池箱外负极母线上串联高压断开装置,负极母线通过高压断开装置与高压盒连接。高压盒内部设置能量计、霍尔电流传感器、电压传感器、放电回路、身体保护电阻、驱动系统测量点。传感器用于检测电池箱外直流母线上的电流和电压大小,检测结果传输至低压电路板用于决策判断。电流经过电机控制器后,由逆变器转换为三相电输入电机。

3 低压控制系统

3.1 原理

为了确保在紧急状态下能够迅速切断高压动力输出,电动方程式赛车设计了安全回路。低压控制系统的设计主要围绕安全回路展开,安全回路原理如图4所示。

由安全回路原理可知,电池箱内的继电器能否闭合通高压电,主要由两个条件决定,一是电池箱外安全回路上所有开关闭合导通,二是电池管理系统主控板控制继电器线圈触点接地。为了电动方程式赛车能够在断电后主动释放高压回路中残存的电能,还设置了放电回路。当安全回路导通时,安全回路末端常闭放电继电器断开,不放电,通高压电。当安全回路断开时,高压断电,安全回路末端常闭放电继电器闭合,对电池箱外剩余电压进行快速放电。

▲图4 安全回路原理

3.2 制动可靠性检查装置

制动可靠性检查装置是一块保护性电路板,防止在制动压力大于等于3 MPa时电池箱输出功率依然高于5 kW。采用压力传感器检测制动液压回路压力,采用霍尔电流传感器检测负极母线上的高压电流,输出电压范围均为0.5～5 V。作为直接关系车手安危的检测装置,制动可靠性检查装置所有输入信号都需要进行可靠性检测,检测是否对地短路。

制动可靠性检查装置判断模块如图5所示,10 s延时模块如图6所示,安全回路开闭控制模块如图7所示。LM339芯片检测压力输入(In Bral)信号和电流输入(In E)信号是否低于对地短路阈值(BH、EH)。LM339芯片与74AH或非门芯片判断检测压力输入信号和电流输入信号是否冲突。当两者出现故障状态时,会输出高电平信号(OUT1、OUT2、OUT3)至74LV或门芯片,74LV或门芯片输出高电平信号(AOUT)使10 s延时电路中的三极管导通,信号10变为高电平,经过LM339芯片后输出低电平信号(FOUT),断开安全回路继电器。当所有故障状态清除后,由于电阻电容延时回路的作用,信号10依旧会保持高电平状态,直至电阻电容回路放电,使信号10电压低于阈值,安全回路复位。规则要求信号冲突持续500 ms后才有效,对此同样设置电阻电容回路。经过计算,两个电阻电容回路的阈值电压分别为0.75 V和2.5 V时可以满足要求。

3.3 驱动系统激活指示灯

驱动系统激活指示灯用于指示驱动系统状态。根据规则,驱动系统激活指示灯有三种状态。仅低压系统启动时,驱动系统激活指示灯亮绿灯。电池箱内主正继电器和主负继电器中有一个闭合,或预充继电器闭合,或电池箱外的电压达到60 V时,视为驱动系统处于激活状态,驱动系统激活指示灯红灯闪烁。当电压歧义,即电池箱内箱外电压不一致,或信号异常,即信号线断开时,驱动系统激活指示灯熄灭。采用双继电器来得到三种状态,驱动系统激活指示灯控制模块如图8所示。继电器SRD负责控制红灯闪烁还是亮绿灯,基于信号OUT进行控制。继电器SMI负责控制是否亮灯,基于信号SOUT进行控制。

▲图5 制动可靠性检查装置判断模块

▲图6 制动可靠性检查装置10 s延时模块

▲图7 制动可靠性检查装置安全回路开闭控制模块

▲图8 驱动系统激活指示灯控制模块

辅助触点与继电器开关机械状态同步,因此电池箱内主正继电器、主负继电器与预充继电器机械状态可以通过继电器辅助触点电压进行区分。电池箱外电压由电压传感器测得,电压传感器输出值为采集电压的1/100。

驱动系统状态区分模块如图9所示。辅助触点一端在电池箱内接通13 V低压电池,辅助触点未闭合,即仅低压系统启动且无信号异常状态时,F3为1.6 V,大于0.45 V阈值电压,小于2.5 V阈值电压,电池箱外电压传感器输出值为0,小于0.45 V阈值电压,因此可得信号OUT1、OUT2、OUT3、OUT4均为低电平,信号OUT、SOUT也为低电平,继电器SRD、SMI均不闭合,驱动系统激活指示灯亮绿灯。

当继电器闭合且信号无异常时,信号SOUT为低电平,辅助触点闭合,输出13 V,经过分压电路F3为3 V,大于2.5 V阈值电压,信号OUT3为高电平,电池箱外电压传感器输出值大于0.45 V,信号OUT1为高电平,由此信号OUT为高电平,继电器SRD闭合,驱动系统激活指示灯红灯闪烁。

通信端口信号线断开,F3下拉为0 V,小于0.45 V

▲图9 驱动系统状态区分模块

阈值电压,信号OUT2、SOUT为高电平,继电器SMI闭合,驱动系统激活指示灯熄灭。

总判断模块如图10所示。当电压歧义时,异或门输出高电平信号OUT4,使信号SOUT为高电平,继电器SMI闭合,驱动系统激活指示灯熄灭。另一方面,驱动系统激活指示灯在断开安全回路的情况下也能正常工作,即驱动系统激活指示灯仅有状态指示功能,没有控制功能。

▲图10 总判断模块

3.4 故障锁存装置

当安全回路被电池管理系统或绝缘检测装置断开时,驱动系统必须通过硬件保持被断开的状态,直到被除车手以外的人手动重置,从而保障故障被及时检修。为了满足以上要求,采用故障锁存装置。

绝缘检测装置正常情况下输出12 V,在检测到绝缘短路故障时会输出0 V。所采用的电池管理系统自带故障锁存功能,只需要设计故障指示灯电路即可。但是,电池管理系统正常情况下故障输出端口悬空,在检测到故障时故障输出端口会对地导通,并没有实质上的输出,因此需要在电池箱内添加上拉电阻来赋予电池管理系统故障输出端口状态。

故障锁存原理如图11所示。故障信号通过输入端至LM339芯片进行比较,当绝缘检测装置或电池管理系统信号输入电压小于10 V时,信号分压后小于2.5 V阈值电压,信号OUT2、OUT3输出高电平,从而控制继电器BMS1和SMI闭合,安全回路断开,故障指示灯点亮。继电器SMI具备自锁功能,用于实现故障锁存。一旦信号OUT2输入高电平,继电器SMI形成自锁,后续不再受到信号OUT2控制。复位按钮一端连接信号IMD+,一端接地。按下复位按钮,会取消继电器SMI的自锁功能。印制电路板实物如图12所示。

4 通电控制流程

电动方程式赛车控制系统工作原理如图13所示。闭合低压主开关后,低压电器通电,整车自检。此时驱动系统激活指示灯亮绿灯,绝缘检测装置、电池管理系统对应的故障指示灯会有1～3 s闪烁,进行可视性检查。再按下高压主开关,安全回路闭合,电池箱内继电器正端为12 V,负端由电池管理系统控制,此时负端并没有接地,所以电池箱内继电器未闭合。之后按下ON按钮,电池管理系统收到高电平信号,控制预充继电器、主负继电器负端接地,同时放电继电器断开。预充完成后,闭合主正继电器,高压回路通电,但由于电控系统的控制,电机不会对油门踏板做出响应,此时驱动系统激活指示灯红灯闪烁,电动方程式赛车进入驱动系统激活状态。当电控系统同时检测到待驶按钮信号和制动踏板信号时,电动方程式赛车进入待驶状态,此时电控系统控制电机能够对油门踏板做出响应。

▲图11 故障锁存原理

▲图12 印制电路板实物

5 实车测试分析

为了验证所设计的电动方程式赛车电气系统的合理性,需要进行实车测试。为确保安全,首先在静止状态下测试各功能是否正常,能否顺利通高压电,指示灯是否可以表示电动方程式赛车状态。仅通低压电时,驱动系统激活指示灯亮绿灯。通高压电后,电动方程式赛车进入驱动状态,驱动系统激活指示灯红灯闪烁。当绝缘检测装置、电池管理系统发生故障时,对应的故障指示灯亮红灯,同时TS OFF指示灯亮绿灯,代表电动方程式赛车已退出驱动状态。清除故障后,按复位按钮,故障指示灯熄灭,可以重新通电。进行制动可靠性装置测试时,需要将电动方程式赛车架空,通高压电激活驱动状态,按压加速踏板超过一定行程后,同时按下制动踏板,电动方程式赛车退出驱动状态,10 s后可再次进入驱动状态。实车测试结果均满足设计要求。

▲图13 电动方程式赛车控制系统工作原理

静止状态测试通过后,开始动态测试。针对赛事项目,重点测试75 m直线加速和耐久赛。75 m直线加速体现电动方程式赛车的加速能力,耐久赛不仅体现电动方程式赛车的续航能力,而且可以测试电气系统在长时间运行下的稳定性。

在封闭道路上选定75 m距离,用秒表记录电动方程式赛车起步开始到通过75 m处的时间,共测试三次,取平均值。75 m直线加速测试结果见表4。由表4可知,电动方程式赛车起步驶过75 m需5.28 s,比设计目标4.5 s长17%,考虑到测试设备带来的测试误差,驾驶人员非专业车手,认为这一误差在可接受范围内,电动方程式赛车加速能力满足设计要求。

表4 75 m直线加速测试结果

通过模拟竞赛赛道进行耐久赛测试,电动方程式赛车持续行驶22 km。耐久赛测试车况如图14所示,通过控制器局域网总线数据记录仪采集车况数据。由图14可以看出,因赛道弯道多、直道短,导致车手频繁加减速,车速变化频率大,工况较为极端。车速总体在5～80 km/h范围内波动,最高车速达到80 km/h,平均车速为48 km/h。为了确保安全,每驾驶一段时间停车检查车况。电动方程式赛车行驶22 km的总耗时为1 650 s,即约27.5 min,符合赛事要求,续航能力满足设计目标。此外,通过监测电池箱内主继电器状态,发现电动方程式赛车在行驶中并未因突发故障而断电,测试中段断电是因更换车手而人为断电。由此可以验证电动方程式赛车电气系统的稳定性。