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关键词 智能汽车竞赛;电源管理模块;电机驱动模块
中图分类号 TP2 文献标识码 A 文章编号 2095-6363(2015)09-0032-02
全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛是以“立足培养、重在参与、鼓励探索、追求卓越”为宗旨,鼓励创新的一项科技竞赛。以飞思卡尔半导体公司的微处理器为核心,通过自主设计传感器、电源管理模块、电机驱动模块和编写控制程序,制作一个能按照比赛规则自动识别赛道完成比赛的模型汽车。
硬件是智能车的基础,其影响着车模系统稳定性。基于此,本文主要提出一套电源管理模块、电机驱动模块的可行设计方案。
1 电源管理模块
根据调整管的工作状态,直流稳压电源分为线性稳压电源和开关稳压电源。线性稳压电源通过采样、反馈等方式来控制调整管的导通程度,其输出电压文波比较小、工作噪声小、反应速度快;调整管工作在放大状态,效率比较低,发热量大。在开关稳压电源中,开关管工作饱和或者截止状态,对应开、关两个状态;效率高,功耗小,存在比较严重的开关干扰。
电源管理模块为车模系统的各个模块供电,其供电稳定性是车模稳定运行的基础。在设计中,不仅要考虑各个模块的正常工作电压、电流,还要做好各个模块的隔离,减小模块之间的噪声干扰。总的来说,通过三端集成稳压芯片来给各个模块来供电。竞赛中,常用的电源有串联型线性稳压电源(LM2941、TPS系列等)和开关型稳压电源(LM2596、LM2575、AS1015等)两大类。
车模电源是7.2V2000mAh的镍镉可充电电池,其对车模的各个模块供电。系统的供电示意图如图1所示,7.2V电压给不同电压的模块供电,主要的模块电压有12V、5.5V、5V和3.3V。用电池给电机供电,将电源电压经升、降压再给其他模块供电。电机驱动芯片IR2104的供电电压为12V,S-D5舵机的供电电压为5.5V,线性CCD的供电电压为5V,单片机的供电电压为5V,调参模块等供电电压为5V和3.3V。
MC9S12XS128单片机是系统的控制中心,其工作的稳定性直接影响车模运行。为了减少其他模块对其干扰,采用低压差线性稳压电源供电。TPS7350具有过流、过压和电压反接保护电路,可以有效地保护单片机;最大输出电流500mA,大于单片机工作电流;稳压线度相对比较好。所以选用TPS7350对其单独供电。线性CCD工作条件电源电压为-0.3V-6V,考虑到单片机的AD采样转化精度和线性CCD推荐工作条件等原因,选其最佳工作电压5V。VDD最大连续电流为40mA,在比赛中一般需要用到2-4个线性CCD,最大电流一般不超过200mA。线性CCD是模拟传感器,其供电电源的波动将影响其性能, TPS7350稳压后电压波动较小,用其对线性CCD单独供电。
S-D5是数字舵机,工作电压4.5V-5.5V,正常工作电流200mA,堵转电流是800mA;工作电压在5.5V下,带有堵转保护功能。舵机在实时控制时存在滞后性,滞后时间的大小主要由舵机的响应时间和转向传动比决定。在转向传动比不变时,舵机的响应时间与供电电压有关;舵机的工作电压越高,响应越快,同时扭矩力越大。选择5.5V供电,既可提高舵机响应速度,又可以保护舵机。LM2941S是低压差线性稳压芯片,原理图如其输出电压,在输出电流时,。选用为,为,计算得。
常用的调参模块主要有蓝牙、SD卡、OLED显示屏和按键等。不同调参模块的电压不同,SD卡供电电压为3.3V,蓝牙、OLED显示屏可以接3.3V或者5V,按键一般接5V。测速模块一般供电5V。这些模块电流一般较小,可以根据PCB设计的需要调整各模块的电压分配。
2 电机驱动模块
在竞赛中,电机驱动的方式一般有两种方式:集成芯片、栅极驱动芯片和N沟道MOSFET。常用的集成驱动芯片有BTN7970、BTN7971等;常用的栅极驱动芯片有IR系列的IR2104、IR2184等;常用N沟道MOSFET型号多样。
集成驱动芯片在过流、短路、过温和欠压时,芯片自动关断输入。为了防止车模在运行过程中因为芯片保护而停止工作,在设计时要考虑过流保护、散热等情况并采取措施。而B型车模电机功率比较大,正常工作电流都要大于1A,在启动或者堵转的情况下,电流会更大,很容易造成驱动芯片发热;如若散热不好,会影响芯片正常工作,进而影响车模运行。所以采用半桥驱动芯片IR2104驱动4个LR7843型N沟道MOSFET H桥的方式来驱动电机。
首先了解一下H桥驱动原理,电机和4个N沟道MOSFET共同构成一个类似于字母H的驱动桥,如图4所示。当Q1、Q4导通时,直流电机中通过从左到右的电流;当Q2、Q3导通时,直流电机中通过从右到左的电流;流经电机电流方向的改变就可以实现电机的正反转。但是,在控制4个N沟道MOSFET导通时,同一桥臂的Q1和Q2、Q3和Q4不能同时导通,导通会造成源地的短路;在两次状态转换过程中可能出现瞬时短路,需要在转换时插入“死区”。在这里,采用一片栅极驱动芯片IR2104来驱动同一桥臂上下两个NMOS管导通。IR2104内部集成升压电路,一个自举二极管和―个自举电容便可完成自举升压。IR2104内部设置死区时间,存在于在每次状态转换时,可以保证同一桥臂上、下两管的状态相反。
NMOS管是电压驱动型器件,栅极电压高于源极电压即可实现NMOS的饱和导通。电压通断MOS管时,要比大10V以上,而且开通时必须工作在饱和导通状态。IR2104工作电压为10-20V,采用B0512S隔离电源升压模块来供电,IR2104输出达到15V左右,可以驱动NMOS管。NMOS管栅源极之间是容性结构,栅极回路存在寄生电感,合适的栅极电阻可以迅速衰减栅极回路在驱动芯片驱动脉冲的激励下要产生很强的振荡。LR7843型N沟道MOSFET,。电机驱动模块设计电路图如图4。
3 结论
本文的电路方案经过测试,证明了其可行性与可靠性。在车模系统中,各个模块能稳定可靠地运行。
创新是高新技术企业的生命力,科技为先、人才为本是本公司发展的理念。公司从创业开始就紧紧抓住创新这个主旋律,以动力型电池作为主攻方向,采用有机无机复合膜技术开发了多孔态聚合物锂离子动力电池,开发了拥有自主知识产权的高安全、高倍率以及高低温环境中均能使用的TSE动力电源系统。该产品获得多项专利并得到相关部门的多项科技创新表彰奖,其中有机无机复合隔膜技术登录为国家科技成果。产品通过了CE、UL、UN.38、CCC、CPT、ISO9001等国际、国内权威机构评测和认证。
TSE动力电源系统目前在纯电动大巴或轿车上得到实际应用,受到不少用户的青睐。该产品也可用于各种储能系统,如太阳能发电站或风力发电站的储能电源。产品具有以下新颖性:
1. 电池采用自主知识产权的专利隔膜,打破了日美垄断的格局,并使电池的安全性能达到崭新的高度,即使遭到剪切、穿刺、锤击等严重的破坏,电池还能保持良好的电压状态(见图片)。
2. 合理选用正负极材料及电解液体系使电池使用温度范围增宽,尤其在―30℃以下低温环境中仍能放出电,这在其他体系电池中难以实现。
3. 采用独特的结构设计和集流体表面处理技术,使电池的大电流充放电性能得到大大提高,尤为适合于作纯电动汽车的动力源。
低碳减排、寻找可替代能源是目前汽车行业的出路所在。新能源汽车的实施是符合国家能源战略和环境保护需要的。在化石能源日益匮乏的今天,作为经济发展血脉的能源已经直接关系到国民经济的战略安全。目前,新能源产业已成为当今各国竞争的战略产业,是新世纪综合国力的重要标志产业之一。目前,各大汽车厂家已承诺逐年降低汽车CO2排放量,可见,发展电动车生产已经是社会发展和经济安全的重大战略问题。
发展电动汽车是我国“十二”五规划主要推动的方向之一,政府已采取贴息补助的方式拉动汽车制造商跟进,预计在近3年内动力电池的市场需求量将超过几百亿,到2015年可达到几千亿元的市场份额。
关键词:双电源;电动汽车;辅助电源(超级电容);秒功率;仿真分析。
汽车作为环保机动车,正在得到更多的技术支持和发展,但这些技术发展均会受制于供电电池性能,也就是蓄电池性能。电动汽车蓄电池技术无论发展到怎样一种程度,使用中都会遇到以下几个较为普遍的技术问题,电动汽车在行驶过程中,蓄电池电能逐渐消耗,蓄电池内阻也不断增加,使蓄电池端电压产生电压降,当降到电动机额定电压10%以上时,电动机的转矩将大幅度下降,就无法满足电动汽车在启动、加速时动力需求,这些都会导致电动汽车性能,不能满足实际需要。采用双电源供电技术,就能改善纯电动汽车在行驶中产生较为普遍的技术问题。
1、双电源供电技术工作原理【1】
采用双电源供电技术目的在于提供一种改善供电系统提高电动汽车动力能源供给性能,双电源由一组蓄电池与另一组超级电容器(称辅助电源)组成,辅助电源与车载发电机及充电器连接,辅助电源与蓄电池同极性并联,辅助电路回路中连接有DC-DC转换器,控制、调整辅助电源工作状态可采用手动或自动方式来完成,辅助电源充电电压≥蓄电池充电电压,辅助电源输出电流数值是随着蓄电池电压降的数值而改变,辅助电源每次工作时间大约几十秒钟,工作区域在起动、加速爬坡与蓄电池欠压时,提供补充能源与蓄电池并联分流,共同输出电能,保证电动汽车能源供给的稳定性,使电动汽车动力性能,不能因为供电系统电压变化而造成的性能指标下降充分满足驱动力所需。
2、超级电容器的特点【2】
(a)、很高的功率密度:超级电容器的内阻很小,且在电极汇界面和电极材料本体内均能够实现电荷的快速储存和释放,因而它的输出功率密度高达数KW/kg,是一般蓄电池数的十倍。
(b)、极长的充放电循环寿命,其循环寿命可达一万次以上。
(c)、储存寿命极长:超级电容器充电之后储存过程中,虽然也有微小的漏电电流存在,理论上超级电容器的储存寿命几乎可认为是无限。
(d)、高可靠性:超级电容器工作过程中没有运动部件,维护工作极少,因而超级电容器的可靠性是非常高的。
(e)、非常短的充电时间:从目前已经做出的超级电容器充电实验结果看,全充电时间只要10-12min;蓄电池在这么短的时间内是无法实现全充电的。
3、辅助电源功率计算方法
电容元件是一种储能元件,某一时刻“t”的储能只取决于容器“c”及这一时刻的电压值,并与其电压的平方成正比,当电压增大时,电容从外界吸收能量,电压减小时,电容向外界释放能量,但电容元件在任何时刻不可能释放出多于它吸收的能量,在计算充放电“秒功率”时按平均充放电电压和平均充放电电流的乘积,即为平均充放电功率对充放电时间积分,称秒功率(1焦耳=1安培×1伏特×秒)
Ⅰ).辅助电源额定功率约等于电动机额定功率20%左右(秒功率)。
Ⅱ).超级电容容量法拉约等于直流电动机额定电流20%左右。
Ⅲ).超级电容额定电压大于电动机额定电压10%(发电机效率与充电过程中损耗可设定为常数)。
4、辅助电源充电设备
充电功率大约是电动机额定功率10%左右。根据实际情况可采用以下几种发电设备:
1)车载发电机;2)车载柴油发电机;3)车载太阳能发电;4)车载燃料电池。
5、仿真分析
一台纯电动汽车,驱动功率10KW,直流电动机额定电压200V,额定电流50A,由一组蓄电池供电,充电最高电压220V,100安时;另一组辅助电流,由超级电容组成,超级电容容量法拉等于电动机额定电流20%等于10法拉,超级电容充电电压≥蓄电池充电电压220V,超级电容在串并联组合过程中应注意,超级电容额定电压>充电电压。
辅助电源由车载1KW发电机提供充电能源(恒流充电)通过10秒钟时间充电储存电能大约等于电动机额定功率,充电50秒时储存电能大约等于电动机额定功率5倍,存储电流可达250A,这时辅助电源在25秒内输出平均功率2KW与蓄电池并联分流供电,辅助电源输出控制可采用手动和自动方式调整其储能输出,基本实现辅助电源功能作用。
通过仿真数据,电动汽车在行驶中50%的时间内辅助电源可提供20%的电动机额定的平均功率的电能与蓄电池共同输出满足电动汽车动力所需。保正电动汽车在行驶过程中,蓄电池电能逐渐消耗,也能使纯电动汽车输出功率不降低,保持恒功率输出,使纯电动汽车在续行过程中始终保持有劲、给力。也是消费者希望拥有的电动汽车动力性能。
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6、结束语
综上所述,此项技术可以用于纯电动汽车电路中,解决了纯电动汽车存在一些问题,提高了续行里程,提高了电动汽车动力性能,为纯电动汽车发展,有着重要意义。纯电动汽车双电源供电技术是一个新的理念,目前可能还没有被认同,但是它需要一个平台让大家对它进行探索,通过实验和总结证明也他将成为未来电动汽车发展方向。
参考文献
关键词:稳定;故障;分布式诊断;实验样机
中图分类号:TD64 文献标识码:A 文章编号:1674-7712 (2012) 14-0003-02
车载控制电源作为电力机车控制系统的重要组成部分,一旦出现故障将导致整个列车控制系统的瘫痪,将会对行车安全造成无法预计的严重后果。针对这种情况,研制出一套具有能够实时准确的监测及预测诊断车载控制电源的实时运行情况,是当前保障电力机车安全运营急需解决的问题。车载控制电源系统包含了整流、逆变、变压、控制等多个子系统,再加上系统自身的寄生参数对整体性能和系统稳定性都起着决定性作用,而这些子系统的寄生参数相互之间有着紧密的耦合关系。所以,使用传统的系统故障诊断方法不能够对车载控制电源进行全面实时的诊断。
针对目前存在的问题和控制电源自身的故障诊断计算量大,子系统寄生参数的分析方法不明确的问题。提出了使用分布式故障诊断的方法,将整个车载控制电源系统分割为相互之间有一定独立性的不同子系统,分割之后可以针对不同子系统采取各自最有效的故障诊断方式,不需要考虑其他子系统的结构和参数。系统诊断的复杂程度得到了大大的降低,与此同时可以针对特性不同的子系统采取更加准确有效的诊断方法,从而系统诊断的可靠性和准确性得到了大大的提高。[1,2]
一、故障诊断方法及建模
(一)分布式诊断原理
(二)车载控制电源的电路结构
电力机车的电气控制系统都需要车载控制电源来进行供电,其是机车控制系统的重要组成部分。它性能的好坏与电力机车的安全运有着直接的关系。伴随着机车控制技术的逐步提高,控制系统精细程度的不断增加,由直流稳压电源直接供电的子系统也在不断的增多。尤其是各种控制、检测设备的大量使用,控制电源保证无故障运行就显得越发重要。[2,4,5]
对上面提出的车载控制电源故障关系图,我们分成如下三个步骤:
1.将系统分区为不同级。将模型中的反馈环分配给分区中的各级。
2.建立对应于系统循环因果模型的非循环因果模型。
3.建立的非循环因果模型的分区。
经过以上三步,通过优化系统的分区,使他们变成相互独立的故障区,来实现结构简单、计算准确高效和诊断稳定可靠的分布式故障诊断系统。[3,6,7]
二、诊断系统整体结构
基于前面的理论研究工作,采用了分布式的设计思想,针对列车的实际运行环境中具有的三大特点:运行中电磁干扰非常严重、机械震动大、温湿度条件苛刻。因此在故障诊断系统设计的时候,除了诊断系统自身需要得到绝对可靠的保障之外,还必需要一些附加的电路来对采集到的信号进行信号不同的调理,以确保故障诊断过程中使用到的信号的可靠性。考虑到以上的种种因素,我们进行了车载控制电源故障诊断系统的初步设计。系统的基本结构框图如图3所示,图中的虚线框中是为以后增加子模块预留的扩展接口。
三、试验结果
分布式车载控制电源故障诊断系统目前有样机正在线上运行,经过了两年的试验运行,一共诊断出各种故障68次,下面对试验运行过程中诊断出来的故障进行对比分析。
试验证明,分布式故障诊断系统车载110V控制电源上的能够较准确的起到诊断的作用,其诊断精度及稳定性已具备工业推广的要求。
四、结论
本文提出了一种新型的车载电源故障诊断方法—分布式故障诊断,采用该方法试制出来的实验样机运行结果良好,基本达到了预期的准确可靠诊断的目标,具备工业推广的价值。
参考文献:
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零排放的福田欧V
欧V纯电动客车是福田欧V新能源客车公司自主研发的最新成果。从2003年欧V客车生产线建立到2004年11月30日第一辆欧V客气下线至今,北汽福田已经研发数十种产品。
外型:福田欧V纯电动客车,融合了国际化城市客车的流行元素,造型独特。突破了传统城市客车平、直、方造型,大胆尝试了圆润饱满的前围、自主创新的整体承载式结构。降低了车身重量,却提高了强度,有效地保护了乘员安全。
动力系统:先进的锂离子动力电池,具有高能量比、高功率比、效率高、安全性好的特点,实现纯电动,零排放。自动机械式变速器减轻驾驶员工作强度,换挡平稳冲击小,传动效率高。转向、制动、空调效率高,可靠性好。整车实现智能电控,故障自检。
“绿色客车”LCK6128EV
中通LCK6128EV纯电动客车,是一款集杰出环保动力与极优驾乘享受的绿色客车,代表了目前国内纯电动客车最高水平,服务于“奥运会”和“世博会”等大型国际活动。在2008年上海BAAV车展上,中通LCK6128EV曾获得“2008年度BAAV最佳环保客车奖”。
外型:独特的“水滴式”流线型风格,在国际纯电动大客车中具有车型档次最高、造型最新颖、最时尚的特点。首次将北京理工大学成熟的纯电动系统、北京交通大学的电池管理系统与中通“梦幻”全承载超豪华商务客车巧妙地融合在一起,完美诠释了我国客车制造业与信息产业结合的最高水平。
内饰:车内装饰豪华,装载了航空行李架,真皮座椅,商务办公桌、手机和手提电脑电源、视听系统等,采用了一系列无污染的内饰材料。真正做到了节能与环保。
动力系统:采用纯电动驱动系统,实现了“零排放”,又实现了无极变速功能。540AH大功率锰酸锂动力电池,可实现250km续航里程;抽屉式电池箱设计,又为电池检测维护提供了便利。另外,冷暖一体的空调系统,内藏电阻丝加热除霜的方式,解决了前风档玻璃除霜问题,也增加了行车安全性。
豪华唯美的Converj概念车
这款凯迪拉克混合动力概念车被众多知名汽车媒体称为电动车中的凯迪拉克,而不是凯迪拉克的“电动车”,这句话很值得回味。通常“电动车”在高效环保之余,也给人以驾驶乏味、设计朴素的印象,Converj这款概念车却将高效的动力系统与豪华、唯美的设计融为一体。
外型:Converj的轮毂与CTS双门轿跑车有些许相似,但整体更紧凑,采用了比凯迪拉克量产车型更大胆、洒脱的线条,独树一帜。前脸进气隔栅、保险杠和前盖的V形特征明显,犀利的垂直大灯从前扰流板开始,“穿越”保险杠,沿着翼子板边缘延伸到A柱附近;侧面一条锋利的棱线以近乎夸张的角度上扬,车尾也有不少切割面。同大灯一样,红色的垂直尾灯也一直向前延伸,形成飞去来器的造型。
内饰:内饰充满科幻色彩,并通过透明的中控台、金属装饰条、湛蓝的背光和变化莫测的多媒体显示屏透露出来。座椅的设计超乎想象,在科技感的背后,纯白色的皮革用细腻的手法一丝不苟地缝合起来,透露出凯迪拉克历久不衰的传统工艺。
动力系统:Converj拥有前沿的环保动力科技,采用Voltec延展里程电动车技术的Voltec在220V电压下只需3小时就能充满,充电接口位于翼子板上带有凯迪拉克标志的盖板下。Converj纯电动模式可以行使约64公里,之后发动机自动启动为锂离子电池组充电,实现无缝对接,在节能和续航里程上找到最佳的平衡点,两种模式的累计续航里程多达数百里,还可以通过制动力回收系统回补电力。此外,其超低滚动阻力轮胎也是专门开发的,以便最大限度地节约电能。
炫酷聆风(leaf)
绿色植物有吸收二氧化碳净化空气的作用,而leaf在英语中的释义为“叶子”。可见,日产对这款时尚前卫的“纯电动车”给予了改善大气环境、憧憬绿色生活的美好期望。
外观:聆风是一款尺寸稍有点大的四门两厢紧凑型轿车。长宽高分别为4445mmX1770mmX1550mm,轴距则达到了2700mm。采用蓝色反光材质的柳叶形大灯,尺寸惊人。突起的灯罩配合扁平的前脸不由让人联想起动画片中的卡通人物。显眼的LOGO下面也暗藏玄机,充电接口被设计师巧妙的埋藏在里面。集众多时尚元素于一身高调亮相的聆风,却在轮毂方面略显低调。205/55 R16的普利司通轮胎,不算夸张的轮胎型号却能有效降低滚动阻力。正所谓“鱼与熊掌不可兼得”。