基于FSAE电动赛车的整车电气系统构建

辛全彬

在一辆动力电动赛车中，安全可靠的整车电气系统是赛车高性能的保障。构建符合赛事规则的包括电机控制器、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成为重点。针对该问题，提出了由整车控制器辅助下的安全回路的电气拓扑结构整体设计方案。基于stm32单片机的整车控制器和Can总线通信网络及安全回路构建更优的整合整车各类传感器及可靠性模块信息，为赛车电气设计人员提供新的可参考的设计方案。

【关键词】FSAE 电动赛车 STM32 安全回路 Can总线 整车控制器

Formula SAE（FSAE） 是一项面向大学生的综合性工程教育赛事，中国自2010年引入该赛事，并于2013年增加电车组。要求学生设计制造一辆单人纯电动方程式赛车，并对电气及机械提出相关规则要求。对电气部分设计者而言，安全可靠和高性能成为主要考虑因素。围绕电机控制器和电池管理系统为通信控制核心的整车电气系统要求解决包括急停，绝缘监控，制动可靠，传感器信息采集（包括踏板，温度，速度等）一系列问题。本文提出基于安全回路和STM32的整车控制器的整车电气系统可行性设计方案，并实际验证。本文分整车控制器和安全回路两部分介绍该设计方案。

1 整车控制器

整车控制器实为赛车动力系统控制核心，其完成功能包括：1、踏板信号采集2、Can总线信息处理3、整车传感器信息采集4、仪表和无线通信5、实时数据存储。

基于以上的任务选用基于Cortex-M3内核的STM32F103单片机，搭配外围处理电路，构成整车控制器。

配合电气盒和接插件，最后达到模块化设计效果。图一接头从左到右接头依次为轮速传感器接头，仪表显示，方向盘转角，减速箱温度和水泵调速，油门踏板1，油门踏板2，无线模块，制动踏板，背面有整车控制接头。

1.1 踏板信号采集方案

通过自主设计踏板结构，搭配角度传感器获得油门和制动信号。

旋转编码器可靠性更好，使用寿命更长，数字总线式的绝对编码器又具有灵敏度高抗干扰能力强的优点。SSI总线较为常见，基于差分式信号经由MAX490解码，极大减轻处理器负担，提高通信速度。实际测试获取角度信息频率>5kHz。

常见的模拟量旋转编码式传感器通过屏蔽线有效接地，并联电容滤波，处理器配置DMA模式，软件多次测量、大小排序、去极值、取平均几种方式共用，实际验证可有效解决大功率同步电机工作的电磁干扰。

1.2 Can总线（基于J1939协议）方案

Can总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性，基于J1939协议的Can总线被大多数车用器件兼容。

整车控制器微处理器STM32集成Can（2.0B）模块，可替代基于TJA1040模块的通用性方案，搭配CTM1051A通用Can隔离收发器同时解决电气隔离和电平转换问题。通过设置微处理器屏蔽模块，屏蔽电机控制器和电池管理系统内部通信，减轻处理器负担，提高通信效率。且电路构成简单可靠配备多级缓存。

1.3 整车传感器信息采集

整车传感器主要包括齿轮传感器，方向盘角度传感器，变速箱温度传感器，姿态传感器等。

齿轮传感器选用霍尔式，但需保证在安装精度。方向盘传感器选择电位器式，经由AD模块采集处理并存储。温度传感器模块（非线性），通过多次实际测量获取多组数据，通过曲线模拟获得3阶多项式以拟合实际对应关系，可获足够精度。

1.4 仪表显示和无线通信

为了方便车手了解赛车实时信息，仪表采用独立CPU的智能PS-LCD，可独立自主二次开发显示界面，但刷新频率较低。

通过界面设计软件Designer在线仿真界面设计。通过RS233协议与整车控制器通信，实时显示当前赛车状态，包括速度，电压，电量，故障等。

无线模块选用基于ZigBee通信协议的1.6公里的无线模块，配合基于Labview软件开发的上位机软件，完成实时监控。

1.5 实时数据存储

由于赛车运行时传感器信息量较大，无线模块传输信息通信速率无法满足需求，无法实现大量数据的实时存储，通过文件管理芯片CH376S实现U盘或SD卡的实时信息读写。其内置了FAT32文件系统的管理固件，支持SPI接口。

通过该模块实现了大量数据的实时存储，经过测试，该模块的数据块写入速度高于1Mb/s，综合有效速率达100Kb/s，且稳定性良好。

2 安全回路的设计

安全回路为连接各可靠性模块及保护开关等的电气回路，在整车电气系统中占有重要位置。包括：两个主开关，3个急停开关，制动超程开关，绝缘可靠性装置（IMD），惯性开关，制动可靠性装置，电池管理系统（AMS）等。以上除了开关外其余模块直接控制继电器开关串联在安全回路中，任何一个模块被激活均直接断开安全回路，进而断开电池箱内的直流接触器，确保赛车无动力输出。整车控制电源（12V）经由为控制系统开关和驱动系统开关为系统供电。在该过程中，组成安全回路的绝缘监控和制动可靠性装置成为难点。绝缘监控临界值应规则要求需要达到500Ω/V，该装置需在到达响应值后独立断开安全回路。Bender A-ISOMETER ? iso-F1 IR155-3203 或 -3204均符合规则要求，测试中用外接电阻模拟故障，5次测试中均成功断开回路。

制动可靠性装置用于避免制动时有动力输出，通过霍尔式电流传感器和接近开关，独立采集制动踏板角度和电机电流，当二者同时达到阈值时，模块动作断开安全回路。

3 结论

经过对该方案的具体实施，成功完成了符合规则的电动方程式赛车的电气系统构建，在实际1h的连续跑动测试过程中：

（1）无意外断开安全回路状况。

（2）U盘存储、仪表、无线模块均正常工作。

（3）跑动结束后的绝缘、制动可靠性测试通过。

各个模块均得到了验证，其可靠性和稳定性均有所保证，方案的可行性得到验证。但仍存在整车布线杂乱的情况，有待优化模块机械安装位置。

参考文献

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作者单位

大连理工大学 辽宁省大连市 116024endprint