大学生电动方程式赛车电控安全系统的设计陈凯琦,彭㊀辉(九江学院,江西九江３３２００５)摘㊀要:为了满足大学生电动方程式赛车比赛的规则要求,设计了一套安全性及可靠性高的赛车电控安全系统,主要包括安全电路㊁制动可靠性装置㊁绝缘监测装置和驱动系统作用指示电路等.关键词:大学生电动方程式赛车;电控安全系统;系统设计D e s i g no fE l e c t r o n i cC o n t r o l S a f e t y S ys t e mo fR a c e c a r f o rF o r m u l a S t u d e n t E l e c t r i cC h i n a C H E N K a i qi ,P E N G H u i (J i u j i a n g U n i v e r s i t y ,J i u j i a n g ３３２００５,C h i n a )A b s t r a c t :I no r d e r t om e e t t h e r u l e sa n dr e q u i r e m e n t so fF o r m u l aS t u d e n tE l e c t r i cC h i n a ,as a f ea n dr e l i a b l ee l e c t r o n i c c o n t r o l s a f e t y s y s t e mf o r r a c i n g c a r s i s d e s i g n e d ,i n c l u d i n g s a f e t y c i r c u i t ,b r a k i n g r e l i a b i l i t y d e v i c e ,i n s u l a t i o nm o n i t o r i n g d e v i c e a n d f u n c t i o n a l i n d i c a t i o n c i r c u i t o f d r i v e s ys t e m．K e y wo r d s :F o r m u l aS t u d e n tE l e c t r i cC h i n a ;e l e c t r o n i c c o n t r o l s a f e t y s y s t e m ;s y s t e md e s i g n 收稿日期:２０１８Ｇ１２Ｇ１７０引言中国大学生电动方程式赛车比赛(F S E C )是由中国汽车工程学会主办,由高等院校汽车工程或汽车相关专业在校学生组队参加的汽车设计与制造的一项比赛.首届大赛在２０１５年在上海举办,经过３个赛季的打磨,参赛队伍越来越多,大赛规则也愈发成熟,同时,对电控安全系统方面的要求也越来越高.电控安全系统是电动方程式赛车整车安全的重要保障之一,随着赛车动力及其他性能的不断提升,对赛车安全性的考验也越来越高.因此,设计出可靠㊁稳定的电控安全系统,对于赛事发展及提升赛车性能有着非常重要的意义.１电控安全系统电路设计电动方程式赛车电控安全系统整体电路(简称安全回路)设计原理图如图１所示.该回路将制动可靠性装置㊁绝缘检测装置和电池管理系统故障设置为常开开关,当这些重要的安全开关发生故障失去电源时,可以回到常开状态,使安全回路断开,保护驾驶员安全.安全回路开关器件全部为硬件控制,采用继电器或开关,相对于软件控制而言更加可靠.安全回路末端为电池箱绝缘继电器,通过安全回路全部开关闭合后为电池箱绝缘继电器控制线圈供电,从而控制电池箱绝缘继电器吸合并为整车动力系统供电.当整车安全系统的某部分发生故障时,安全回路中相应的开关就会断开从而保证安全回路开路,即断开整车动力输出,从而确保安全[１].图１电控安全系统电路原理图F i g ．１S c h e m a t i c c i r c u i t d i a g r a mo f e l e c t r o n i c c o n t r o l s a f e t y s ys t e m ２制动可靠性装置２．１原理制动可靠性装置电路原理如图２所示,其包括信号监测电路㊁延时比较电路和故障自锁电路,并通过逻辑门电路来实现多个信号共同作用.当信号监测电路同时监测到用力制动状态以及动力输出达到５k W 时,逻辑门电路会输出高电平到延时比较电路,两个信号同时存在０．５s 以上时,延时比较电路便会输出低电平到故障自锁电路,故障自锁电路断开安全回路,并亮起B S P D 安全回路状态指示灯,即使故障消除也不能重新闭合安全回路.图２制动可靠性装置电路原理方框图F i g ．２C i r c u i t b l o c kd i a g r a mo f b r a k e r e l i a b i l i t y de v i c e２．１．１信号监测电路信号监测电路由霍尔电流传感器和比较电路构成.信号监测电路原理如图３所示.霍尔电流传感器检测主回路电流值,比较器把制动位置传感器信号和所设定的 用力制动 时的状态阈值进行对比.当制动信号和电流信号同时存在时,即判定为故障信号,逻辑与门输出高电平,激活由R C 网络和L M ３９３构成的延时比较电路.当故障信号维持０．５s 以上时,故障自锁电路被激活.图３信号监测电路原理图F i g ．３S i g n a lm o n i t o r i n g c i r c u i t s c h e m a t i c d i a gr a m ２．１．２故障自锁电路故障自锁电路原理如图４所示.当L M ３９３输出低电平时,故障自锁电路被激活,安全回路断开,B S P D 安全回路状态指示灯点亮,并通过继电器相互关联作用达到自锁效果.图４故障自锁电路原理图F i g ．４F a u l t s e l f Ｇl o c k i n g c i r c u i t s c h e m a t i c d i a gr a m ３绝缘监测装置绝缘监测装置电路原理如图５所示,其由绝缘监测装置㊁延时比较电路和故障自锁电路三部分组成.当绝缘检测装置检测到车身绝缘性能下降时,报警输出持续的高电平并超过５s,即判定为绝缘故障,随即激活故障自锁电路,从而及时断开安全回路,并亮起I M D 安全回路状态指示灯.图５绝缘监测装置电路原理方框图F i g ．５C i r c u i t b l o c kd i a g r a mo f i n s u l a t i o nm o n i t o r i n g de v i c e 车身绝缘检测装置选用B e n d e rA ＧI S OM E T E R i s o ＧF １I R １５５Ｇ３２０４模块,如图６所示.当动力电池漏电引起车身绝缘性能下降时,该装置报警,并输出高电平,持续５s 以上时,故障自锁电路被激活.图６绝缘监测装置原理图F i g ．６S c h e m a t i c d i a g r a mo f i n s u l a t i o nm o n i t o r i n g de v i c e ４驱动系统作用指示电路驱动系统作用指示电路原理如图７所示,其由信号监测电路和状态指示电路两部分组成.赛车驱动系统是否激活,由不同的指示灯来指示.规则要求,当驱动系统激活时,红灯以２~５H z 频率闪烁.图７驱动系统作用指示电路原理框图F i g ．７B l o c kd i a g r a mo f f u n c t i o n a l i n d i c a t i o n c i r c u i t o f d r i v e s ys t e m 信号监测电路采用AM C １３１１B 高压隔离检测芯片,用以检测电机控制器输入端两侧电压值,并输出相应０~３．３V 的响应值,再通过电压比较电路即可判断电机控制器输入端两侧电压是否超过阈值.高压检测电路原理如图８所示.图８高压检测电路原理图F i g ．８S c h e m a t i c d i a g r a mo f h i g hv o l t a ge d e t e c t i o n c i r c u i t 将电池箱绝缘继电器辅助触点一端接地,另一端接至状态检测电路,当电池箱绝缘继电器吸合时,辅助触点导通,检测电路即可检测到地信号,进而判断赛车当前状态.L E D 驱动电路采用MO S F E T ＧN 晶体管及５５５震荡电路来实现响应指示灯的控制.(下转第１３９页)３总线通信功能测试信号发射器连续发射信号为１MH z 方波,采用８位B N Z 编码(１００１１１００),位周期为１μs ,信号幅值(V p p )为６．０V ,周期为１μs ,上升时间＜７０n s ,两路信号,相位差为１８０ʎ,差分输出.该信号经被测数据总线传输至检测仪主机,通过测量信号幅值,就可计算出被测数据总线电缆对信号的衰减量,从而确定总线功能是否正常.输出信号幅值(V p p)为６V ,周期为１μs .O u t ＋与O u t －信号互为反相,信号波形分别如图３㊁图４所示.图３O u t ＋信号波形F i g ．３S i g n a lw a v e f o r mo fO u t ＋㊀㊀㊀图４O u t －信号波形㊀㊀F i g ．４S i gn a lw a v e f o r mo fO u t －插入损耗定义为连接接收端与发送端(信号发生器)数据总线网络之间的衰减值.以某型机２８９A 数据总线为例,电路网络的测量简化图如图５所示,电路电压等效图如图６所示.耦合器故障隔离电阻R ＝０．７５R Z ,耦合变压器N ʒ１＝２ʒ１.可忽略接收端负载㊁电缆损耗和网络上其它耦合器影响.图５电路网络的测量简化图F i g ．５S i m p l i f i e dm e a s u r e m e n t d i a gr a mo f t h e c i r c u i t n e t w o r k U i n 为输入电压,由发送端(信号发生器)产生.由图５可知,U a b ＝２U i n ,U c d ＝U e f .由图５㊁图６可知,Uc d ＝图６电路电压等效图F i g ．６E q u i v a l e n t d i a g r a mo f c i r c u i t a n dv o l t a ge U ef /４＝(２U i n )/４,所以U o u t ＝U c d /２＝U i n/４,即U o u t ʒU i n ＝１ʒ４,衰减值S ＝２０l g (０．２５)＝－１２．０４d B .综上,数据总线网络中任意两端插入损耗大约－１２．００d B(电缆衰减忽略).在实际故障检测中可根据以上插入损耗的计算方法,测量总线电缆若干个插头之间插入损耗值来综合判断故障模式及故障位置所在.４结语数据总线在机上安装位置和环境相对复杂,且与其相连的设备安装空间往往相对狭小,故在制作测试设备时应配备有相应的转接线缆.线缆具备可更换的接插口,以适用于各类型号的总线连接器.测试设备也应简单化㊁小型化,便于携带,发送端和接收端均可独立供电,以便对机上不同位置的总线连接器输入信号.测试设备应有良好的密封性和环境适应性,以应对各类外场环境和贮存环境.本文的测试思路,对于判断复杂机上环境下总线的故障位置有着重要意义,能够实现数据总线故障的迅速筛查,保障飞机数据的稳定传输.参考文献[１]王世奎,黄永葵,王国庆,等．G J B ５１８６．１Ｇ２００３数字式时分指令/响应型多路传输数据总线测试方法[S ]．[２]陈若玉,毕国楦,黄永葵,等．G J B ２８９A Ｇ９７飞机内部时分制指令/响应式多路传输数据总线[S ]．(上接第１３７页)５预充电电路电动赛车的高压电池与电机控制器直接相连.由于电机控制器内有较大电容,如果直接通电输出高电压,可能会将电容击穿,使电机控制器失效,因而通过一个预充电电路,可使电容两端电压安全地上升至动力电池最高电压.６放电电路由于电机控制器内电容的存在,在动力电池绝缘继电器断开后,电机控制器输入端在一段时间内仍存在较高电压,为保证安全,需在电机控制器电容两端并联一个放电电阻,释放电容电压.７结语该赛车电控安全系统的设计满足大赛规则要求,可保证电动赛车安全性和可靠性,并在２０１８年全国大学生电动方程式赛车比赛中验证了设计的合理性和功能性.参考文献[１]李鹏伟．大学生方程式电动赛车电气控制系统设计[D ]．西安:长安大学,２０１７．。
