基于點(diǎn)觸互動(dòng)的新能源汽車(chē)高壓上電實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的研究*

劉存山，蔡志標(biāo)

(東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院， 廣東 東莞 523808)

0 引 言

隨著新能源汽車(chē)的普及和使用，各類院校汽車(chē)專業(yè)的學(xué)生和社會(huì)相關(guān)人員學(xué)習(xí)新能源汽車(chē)技術(shù)的需求日趨強(qiáng)烈，但新能源汽車(chē)后市場(chǎng)的發(fā)展還不成熟，對(duì)新能源汽車(chē)的檢測(cè)與維修還剛剛起步[1]。學(xué)習(xí)新能源汽車(chē)技術(shù)不僅要求電工電子理論基礎(chǔ)好，還要求實(shí)踐動(dòng)手能力強(qiáng)，實(shí)踐學(xué)習(xí)必須在整車(chē)或者實(shí)訓(xùn)設(shè)備上進(jìn)行。而新能源整車(chē)的實(shí)物價(jià)格高、體積大，汽車(chē)啟動(dòng)后高壓部件在實(shí)訓(xùn)操作過(guò)程中非常危險(xiǎn)，更甚者會(huì)造成觸電傷亡事故[2-3]。尤其在安排大量學(xué)生進(jìn)行新能源汽車(chē)實(shí)訓(xùn)時(shí)，學(xué)生的失誤操作多，使得高壓系統(tǒng)變得非常危險(xiǎn)。再者，使用新能源汽車(chē)整車(chē)實(shí)訓(xùn)時(shí)，拆解汽車(chē)耗時(shí)費(fèi)力[4]。另外，新能源汽車(chē)的高壓上電流程復(fù)雜，技術(shù)難度高，難于理解其具體的原理及工作流程。新能源汽車(chē)中的電信號(hào)傳輸以及內(nèi)部元件的電流流動(dòng)方向不可見(jiàn)，一些車(chē)載網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的傳輸需要教師去指出并且說(shuō)明，學(xué)生不能直觀的觀察到整個(gè)過(guò)程當(dāng)中信號(hào)的發(fā)送與接收，也不能觀察到電流的流動(dòng)過(guò)程，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)新能源汽車(chē)技術(shù)晦澀難懂，教學(xué)效果差[4]。

1 研究現(xiàn)狀

縱觀汽車(chē)后市場(chǎng)，新能源汽車(chē)技術(shù)的實(shí)踐教學(xué)設(shè)備不多，而且大部分采用傳統(tǒng)方法改造整車(chē)制作而成，對(duì)比現(xiàn)有技術(shù)，在新能源汽車(chē)實(shí)訓(xùn)設(shè)備上采用基于溫變技術(shù)的視覺(jué)變化裝置尚屬首例。本文研究的基于點(diǎn)觸互動(dòng)的新能源汽車(chē)高壓上電實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，在高壓上電線網(wǎng)系統(tǒng)中通過(guò)視覺(jué)變化裝置的變化來(lái)模擬高壓電的傳輸過(guò)程，并未真正使用300V以上的高壓電，解決了在新能源汽車(chē)實(shí)訓(xùn)時(shí)，可能會(huì)發(fā)生的高壓觸電風(fēng)險(xiǎn)的問(wèn)題[5-6]。高壓上電線網(wǎng)系統(tǒng)中的各模塊和控制系統(tǒng)中的各模塊均采用視覺(jué)變化裝置，通過(guò)高壓上電控制系統(tǒng)中各模塊之間視覺(jué)變化裝置的變化模擬高壓上電控制系統(tǒng)內(nèi)的各個(gè)模塊的信號(hào)的發(fā)送與接收，模擬高壓上電線網(wǎng)系統(tǒng)在接收了控制信號(hào)后的具體電流的流向，使學(xué)生能夠更加直觀的了解新能源汽車(chē)的高壓上電過(guò)程。

2 工作原理設(shè)計(jì)

2.1 汽車(chē)高壓上電原理

實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)模擬真實(shí)的新能源汽車(chē)高壓上電信號(hào)流程，將點(diǎn)觸筆分別與控制裝置和手機(jī)移動(dòng)端相連接，點(diǎn)觸實(shí)訓(xùn)臺(tái)上的實(shí)物部件，學(xué)生可在移動(dòng)端上查看對(duì)應(yīng)模塊的相關(guān)信息(如模塊的具體功能、模塊的實(shí)物照片等)，也可以點(diǎn)觸對(duì)應(yīng)的流程控制按鈕，控制高壓上電的視覺(jué)變化裝置進(jìn)行流程慢動(dòng)作演示。高壓上電的具體流程設(shè)計(jì)如下：參考圖1新能源汽車(chē)高壓上電電路圖，BCM(車(chē)身控制模塊)接收到上電信號(hào)(Power按鈕和剎車(chē)開(kāi)關(guān)信號(hào))，BCM初始化自檢成功，整車(chē)狀態(tài)正常，高壓回路的所有ECU(微控制單元)狀態(tài)正確且可通訊，沒(méi)有節(jié)點(diǎn)報(bào)2級(jí)以上故障，BCM檢測(cè)高壓互鎖回路連通，Keyless ECU進(jìn)行鑰匙防盜檢測(cè)，正常后，接通ig1繼電器以喚醒儀表，接通ig3雙路電繼電器喚醒動(dòng)力網(wǎng)上的BMS(動(dòng)力電池管理系統(tǒng))和VTOG(比亞迪電機(jī)控制器)等控制器并自檢聯(lián)網(wǎng)，檢測(cè)無(wú)交流充電槍連接信號(hào)，電機(jī)防盜匹配成功，同時(shí)BCM發(fā)送上電閉合接觸器請(qǐng)求給BMS。

圖1 新能源汽車(chē)高壓上電電路圖1.主正接觸器 2.主負(fù)接觸器 3.主接觸器 4.預(yù)充接觸器 5.Power按鈕 6.剎車(chē)踏板 7.鑰匙 8.選檔桿 9.油門(mén)踏板 10.超級(jí)電容

隨后，BMS喚醒并初始化自檢，檢測(cè)BMS的軟硬件狀態(tài)、初始化I/O口狀態(tài)、采集單體電池的電壓、溫度有無(wú)超標(biāo)，均衡是否超標(biāo)，電池包的內(nèi)部絕緣狀態(tài)，檢查BMS內(nèi)存里面的故障記錄信息等。若初始化自檢沒(méi)有錯(cuò)誤，BMS的內(nèi)存里無(wú)2級(jí)以上的故障信息，且BMS初始化時(shí)間沒(méi)有超過(guò)設(shè)定的閾值，則初始化成功，BMS進(jìn)入等待狀態(tài)，等待BCM的上電請(qǐng)求。

一旦接收到上電請(qǐng)求，BMS首先閉合動(dòng)力電池包內(nèi)的母線主正接觸器KM2，然后閉合預(yù)充電接觸器KM3，電池進(jìn)入預(yù)充電狀態(tài)，預(yù)充電接觸器KM3電氣側(cè)總電壓開(kāi)始上升，在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)，預(yù)充電接觸器KM3高壓側(cè)的電壓超過(guò)動(dòng)力電池組總電壓的90%，接觸器觸點(diǎn)狀態(tài)檢測(cè)正確(高壓電壓以及接觸器閉合判斷)，短路檢測(cè)和高壓回路絕緣檢測(cè)正常，則判定預(yù)充電成功。VTOG控制器發(fā)送預(yù)充成功給BMS和儀表，BMS閉合主正接觸器KM4，預(yù)充電接觸器KM3打開(kāi)，電池狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到工作狀態(tài)；否則判定預(yù)充電過(guò)程失敗，主正接觸器KM4不能閉合，預(yù)充電接觸器KM3打開(kāi)，電池狀態(tài)進(jìn)入預(yù)充電失敗狀態(tài)，發(fā)送相應(yīng)的故障等級(jí)給BCM，打開(kāi)電池包內(nèi)的母線主負(fù)接觸器KM1。VTOG泄放模塊可檢測(cè)超級(jí)電容/輸入母線電壓來(lái)判斷是否預(yù)充完成，BMS通過(guò)can通知儀表上電完成，ok燈點(diǎn)亮[7-8]。

2.2 點(diǎn)觸系統(tǒng)原理

點(diǎn)觸互動(dòng)系統(tǒng)由點(diǎn)觸筆(含微型攝像頭)、隱形識(shí)別碼、手機(jī)移動(dòng)端、控制裝置組成。在高壓上電線網(wǎng)系統(tǒng)以及高壓上電控制系統(tǒng)的各個(gè)模塊上貼對(duì)應(yīng)的隱形碼，點(diǎn)觸筆上的微型攝像頭抓拍上述隱形碼，隨后筆上的微控制器MCU判斷圖像清晰度是否合適，如果合適，進(jìn)行硬件電路解碼并查找對(duì)應(yīng)的隱形碼的碼值索引[9-10]。

該索引會(huì)進(jìn)行兩路處理：第一，點(diǎn)觸工具上的微控制器將碼值通過(guò)通訊接口傳送給解碼電路，該解碼電路根據(jù)碼值將儲(chǔ)存在點(diǎn)觸工具儲(chǔ)存器中相應(yīng)的語(yǔ)音文件通過(guò)發(fā)音設(shè)備發(fā)出，點(diǎn)觸工具語(yǔ)言播報(bào)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)總成的名稱。第二，經(jīng)wifi無(wú)線傳輸，送給大屏幕觸摸電腦一體機(jī)和手機(jī)移動(dòng)端。電腦一體機(jī)中的點(diǎn)觸程序接收到的碼值索引并提取數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)應(yīng)的編碼信息，隨后程序根據(jù)編碼信息顯示實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的顯示內(nèi)容和語(yǔ)音解說(shuō)[4]。手機(jī)移動(dòng)端app會(huì)調(diào)出點(diǎn)觸過(guò)的實(shí)物設(shè)備的照片和文字說(shuō)明以及彈出對(duì)應(yīng)的視頻，介紹該模塊的相關(guān)功能，便于學(xué)生學(xué)習(xí)。另外，在點(diǎn)觸筆的末端設(shè)計(jì)一個(gè)按鈕，按下該按鈕后，控制裝置會(huì)控制高壓上電流程暫停在現(xiàn)在所處的位置上，教師可利用該暫停對(duì)該模塊或上電過(guò)程進(jìn)行詳解，直至彈起所述點(diǎn)觸筆末端的按鈕，所述控制裝置接收到按鈕回彈的信號(hào)后，高壓上電流程繼續(xù)進(jìn)行。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的正面面板印制高壓上電電路圖，如圖2所示。首先，在面板上安裝部分體積較小的實(shí)物零件如：主正接觸器模塊1、主負(fù)接觸器模塊2、主接觸器模塊3、預(yù)充接觸器模塊4、Power按鈕模塊5、剎車(chē)踏板模塊6、鑰匙模塊7、選檔桿模塊8以及油門(mén)踏板模塊9均采用新能源汽車(chē)上對(duì)應(yīng)的零部件進(jìn)行展示。第二，在正面面板上安裝視覺(jué)變化裝置——信號(hào)燈帶。普通電壓信號(hào)的變化采用led小號(hào)燈帶，分藍(lán)、紅色、綠三種顏色，can數(shù)據(jù)信號(hào)的傳遞采用小號(hào)彩色燈帶，高壓電路DC的回流信號(hào)采用紅色大號(hào)燈帶來(lái)顯示。第三，安裝視覺(jué)變化裝置——?dú)怏w溫變管路系統(tǒng)，在正面面板上各高壓模塊間鋪設(shè)氣管(采用溫變技術(shù))，在溫度大于75°時(shí)，氣管由無(wú)色變紅色。鋪設(shè)的氣管隨面板電路原理圖的走向，主要有：主正接觸器到主負(fù)接觸器段(實(shí)訓(xùn)臺(tái)工作后達(dá)到工作狀態(tài)后變?yōu)槌＜t色)、主正接觸器到預(yù)充接觸器段、預(yù)充接觸器到超級(jí)電容段、主正接觸器到主接觸器段、主接觸器到超級(jí)電容段、超級(jí)電容到電機(jī)控制器段。

圖2 新能源汽車(chē)高壓上電實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)

在實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)面板內(nèi)部安裝壓力容器設(shè)備，在實(shí)訓(xùn)臺(tái)正常工作啟動(dòng)前保持壓力容器內(nèi)蒸汽壓力恒定，壓力容器設(shè)置的參數(shù)為電源：220 V-50 Hz,功率800 W，容量150 mL，口徑5 cm，工作壓力設(shè)置恒定150 kPa，限壓壓力200 kPa，保溫溫度85°，默認(rèn)保壓時(shí)間為100 min。同時(shí)，壓力容器設(shè)有50 mL自動(dòng)補(bǔ)液罐，液體采用乙醇—水基型的紅色液體，沸點(diǎn)80 ℃。氣體管路具有耐壓220 kPa、采用透明材質(zhì)并涂敷感溫變色材料[11-12]。

除了高壓線路鋪設(shè)感溫氣管外，還需在電路圖上每個(gè)接觸器對(duì)應(yīng)的地方安裝氣管通斷電磁閥，用來(lái)控制氣流。如在主正、負(fù)接觸器、預(yù)充接觸器和主接觸器都裝有電磁閥。在電路圖上超級(jí)電容處安裝一個(gè)20 mL的容器用來(lái)存放混合態(tài)氣液體，并在該容器裝一個(gè)泄壓電磁閥和預(yù)壓?jiǎn)蜗蜷y(壓力高時(shí)，自動(dòng)關(guān)斷)。該容器的安裝高度要高于壓力容器的補(bǔ)液罐，在各電磁閥都斷電的情況下，20 mL的容器自動(dòng)泄壓，液體可自動(dòng)流回壓力容器的50 mL補(bǔ)液罐里。在氣管上的各個(gè)電磁閥前都安裝有溫度傳感器和氣體壓力傳感器去監(jiān)測(cè)上一個(gè)電磁閥打開(kāi)后的氣體傳輸狀態(tài)，并反饋上一個(gè)電磁閥打開(kāi)后高溫高壓氣體是否抵達(dá)本段氣管的尾端(電磁閥)，進(jìn)而控制上一個(gè)電磁閥后視覺(jué)變化裝置中流水燈的流速，進(jìn)而還可保證高溫高壓氣體信號(hào)傳輸?shù)目煽啃浴Ｉ鲜鰷囟葌鞲衅鬟€會(huì)將高溫蒸氣信號(hào)送給控制系統(tǒng)，進(jìn)一步控制視覺(jué)變化裝置顯示信號(hào)傳遞的過(guò)程(流水燈慢動(dòng)作演示)。最后，在實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)面板上掛D檔，踩油門(mén)踏板時(shí)，若三相電機(jī)達(dá)到了工作條件(超級(jí)電容處設(shè)置的氣罐容器內(nèi)的壓力和溫度達(dá)到設(shè)定閥值)，則此處的感溫材料氣管會(huì)逐漸變紅顯示高壓電過(guò)來(lái)，并且電機(jī)控制器到電機(jī)UVW段(三相岔開(kāi)三色顯示)到DC-的led燈帶顯示高壓電回流效果。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)新能源汽車(chē)技術(shù)的實(shí)踐教學(xué)設(shè)備的不足，提出了一套應(yīng)用于新能源汽車(chē)高壓上電教學(xué)的點(diǎn)觸互動(dòng)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的方法，采用基于溫變技術(shù)的視覺(jué)變化裝置使得新能源汽車(chē)的高壓上電過(guò)程從不可視變成可視，使得學(xué)生可以更好的理解新能源汽車(chē)的高壓上電過(guò)程，同時(shí)通過(guò)點(diǎn)觸系統(tǒng)、手機(jī)移動(dòng)端能夠?qū)π履茉雌?chē)高壓上電中各相關(guān)模塊有更清晰的了解，并且可隨意運(yùn)用點(diǎn)觸工具在實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)上對(duì)新能源汽車(chē)進(jìn)行互動(dòng)式學(xué)習(xí)，提升學(xué)生的好奇心，彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)設(shè)備實(shí)操互動(dòng)少，結(jié)構(gòu)功能簡(jiǎn)單、學(xué)生不感興趣，利用率低下等問(wèn)題，同時(shí)為企業(yè)能研發(fā)出實(shí)用的新能源汽車(chē)實(shí)訓(xùn)設(shè)備提供借鑒。