電動賽車起動電路設計

關鍵詞：電動汽車;起動電路;對比選擇

0 引言

電動汽車起動控制與燃油車不同。燃油車起動時是將電能轉化為機械能，發動機運轉標志著起動完成;電動汽車起動時是高壓上電準備就緒，并不用傳遞機械能，因此只要接通高壓主回路即可，驅動電機處于待命狀態。本文所涉及電動賽車用于參加巴哈大賽，根據賽事規則要求，電動賽車的起動電路相對于乘用車要簡單，只需要檢測到起動開關和制動信號后，接通高壓回路，電動賽車即進入待駛狀態。

1 起動電路設計思路

電路設計要從電路功能要求出發，充分考慮電路的工作環境與生產工藝。起動控制電路應主要包括起動信號輸入和執行器信號輸出兩部分電路。

起動控制電路功能要求反應速度要快，這樣電路信號傳遞的路徑要盡量短，電路元件工作速度要快。起動條件是制動踏板被踩下、起動開關閉合，2 個信號可以是高低電平信號，也可以是與執行器串并聯的關系。執行器要將高壓主回路接通，目標是給供電回路繼電器線圈通電，使繼電器觸點吸合。

賽車的起動控制電路所處的工作環境較差。首先，賽車要完成拉力賽和耐久賽，需要頻繁起動;其次，賽車所在賽場的地勢不平且有多處彎道，路途顛簸;最后，賽車要在炎熱的夏季或者寒冷的冬季起動與行駛。因此，起動電路要能應對頻繁起動，耐顛簸，并能經受高、低溫的考驗。

雖然比賽規則中沒有具體的起動電路制作工藝的要求，但是考慮實際情況，起動電路要做到簡單、輕小。考慮起動電路的防塵與防輻射，電路要放置在金屬材料的盒子里[1]。

2 設計方案

根據上述電路設計思路，結合參賽學生的知識儲備，有2 個方案可以選擇[2]。

2.1 方案一

控制電路是低壓電路控制高壓電路，因此可以選擇可編程控制器實現軟件控制硬件。本方案選擇學生在汽車單片機技術課程中應用的51 系列單片機作為控制器，軟件利用C 語言編寫程序，硬件由單片機輸出高電平控制繼電器線圈得電。

圖1 所示為方案一的電路原理圖，控制信號輸入分別由P0 口和P2 口實現。P0 口1 號端子是制動信號輸入端，設計高電平信號有效;P2 口1 號端子是起動開關信號輸入端，低電平有效。輸出信號由P1 口1 號端子（P1.1 端子）輸出，設計高電平信號有效。

由于單片機輸出驅動能力不足，需要借助驅動電路來驅動繼電器工作，因此在執行器與控制器之間由繼電器模塊連接。當P1.1 端子輸出高電平時，繼電器模塊提高輸出電流，使繼電器線圈得電，觸點吸合。本方案中單片機電源選用5 V，電路供電電源為12 V，因此電路中加入電壓轉換芯片7805。液晶顯示屏在車輛起動完成后，顯示“READY”字樣，模擬電動汽車儀表顯示。

軟件編程可實現如下功能：當踩下制動踏板，按鈕S1 閉合，P1.1 端子由低電平變為高電平;如若此時按下起動開關，開關S2 閉合，P2.0 端子由懸空（默認高電平）變為低電平，P1.1 端子輸出恒高電平。此后，無論松開制動踏板（S1 斷開），還是再次踩下制動踏板，都不會改變P1.1 端子的輸出狀態。只有斷開起動開關，P1.1 端子狀態才輸出低電平，切斷高壓回路。

2.2 方案二

控制電路也可以由完全的硬件電路實現，沒有程序的控制，硬件電路就需要能夠在起動后實現電路功能的自鎖。這就要保證輸出繼電器的線圈在起動后仍然保持得電狀態?；谶@個考慮，方案二的輸出繼電器選擇了雙觸點，利用其中的一個觸點與自身的線圈串聯，實現自鎖（圖2）。

電路中按鈕作為制動信號（開關）與繼電器RL2 線圈串聯，起動開關與繼電器RL2 觸點串聯，為自鎖繼電器（RL1）線圈供電。自鎖繼電器（RL1）是雙觸點繼電器，其中一個觸點連接電機控制器;另一個觸點是自鎖觸點。當線圈得電后，自鎖觸點為線圈持續供電，這樣當制動信號消失后，自鎖繼電器線圈仍然得電，觸點保持吸合。

3 電路調試

方案一需要做軟件聯調和實際電路試驗。軟件聯調時，電路功能基本能夠正常運行，實際電路試驗時繼電器不工作（注：參數計算是電路設計的重要環節，而本電路設計之初，并沒有進行參數的計算）。繼電器不工作的原因可能是線圈中電流不符合要求，因為單片機I/O 口輸出的拉電流有限。此電路中選用的單片機是AT89S52，P1.1 引腳輸出拉電流不足0.1 mA，經三極管電流放大后為10.0 ～ 20.0 mA。這樣的電流流經繼電器線圈，不足以吸合觸點，因此該方案需要改進。為了提高單片機輸出驅動能力，在輸出引腳P1.1 端子接入繼電器模塊，最終電路功能實現[3-4]。

繼電器模塊由光耦電路、帶常開與常閉觸點的繼電器等電路構成。光耦電路起到電氣隔離的作用，即隔離控制電路與高壓回路，提高電路的抗干擾能力。光耦工作需要的電流較小，可以由單片機輸出端子控制，后經繼電器進行電流放大。電路中有一處跳線，同一個模塊，跳線的連接位置不同，電路的高、低電平驅動的方式不同。當工作在低電平驅動的模式下，系統加電復位時，負載不會誤工作，提高電路的安全性。

繼電器模塊的控制電壓在3 ～ 12 V（DC），適用于單片機的5 V 電源電壓。被控電壓可以達到30 V（DC），滿足12 V 電源電路。繼電器觸點流過的電路最大可達到10.0 A，電路的帶負載能力強。

繼電器模塊常用于單片機控制系統開發中，有了這個應用實踐，可以為未來解決單片機控制電路驅動能力弱的問題積累經驗。

方案二，先進行軟件仿真，仿真工作正常。將電路接入電動汽車控制系統中，電路功能實現，多次試驗后沒有發現問題。

4 方案對比

2種方案各有優缺點。方案一功能較多，能實現儀表顯示，而且軟件編程可以靈活更改，缺點是需要有電壓轉換電路和輸出驅動模塊。方案二電路簡單，穩定性高，缺點是功能有限。2 種方案設計理念不同，考察設計者的電路開發與調試的側重點也不同，可根據實際需要進行選擇。

5 結束語

本文是教師指導學生進行的電動巴哈賽車起動電路設計，在功能上2 個方案都實現了設計目標，而且都在電動賽車上進行了實測。選擇2 種方案進行對比，是為了讓學生充分利用所學知識：方案一所涉及的專業知識比較全面，方案二體現了設計的實用性。對于方案二，學生們還提出了選擇不同觸點配置繼電器的不同解決方法。通過設計與實踐，拓展了學生們的電路設計思路，激發了學生創新熱情。