电动赛车起动电路设计

侯丽春 丁勇 党渊琪

关键词：电动汽车;起动电路;对比选择

0 引言

电动汽车起动控制与燃油车不同。燃油车起动时是将电能转化为机械能，发动机运转标志着起动完成;电动汽车起动时是高压上电准备就绪，并不用传递机械能，因此只要接通高压主回路即可，驱动电机处于待命状态。本文所涉及电动赛车用于参加巴哈大赛，根据赛事规则要求，电动赛车的起动电路相对于乘用车要简单，只需要检测到起动开关和制动信号后，接通高压回路，电动赛车即进入待驶状态。

1 起动电路设计思路

电路设计要从电路功能要求出发，充分考虑电路的工作环境与生产工艺。起动控制电路应主要包括起动信号输入和执行器信号输出两部分电路。

起动控制电路功能要求反应速度要快，这样电路信号传递的路径要尽量短，电路元件工作速度要快。起动条件是制动踏板被踩下、起动开关闭合，2 个信号可以是高低电平信号，也可以是与执行器串并联的关系。执行器要将高压主回路接通，目标是给供电回路继电器线圈通电，使继电器触点吸合。

赛车的起动控制电路所处的工作环境较差。首先，赛车要完成拉力赛和耐久赛，需要频繁起动;其次，赛车所在赛场的地势不平且有多处弯道，路途颠簸;最后，赛车要在炎热的夏季或者寒冷的冬季起动与行驶。因此，起动电路要能应对频繁起动，耐颠簸，并能经受高、低温的考验。

虽然比赛规则中没有具体的起动电路制作工艺的要求，但是考虑实际情况，起动电路要做到简单、轻小。考虑起动电路的防尘与防辐射，电路要放置在金属材料的盒子里[1]。

2 设计方案

根据上述电路设计思路，结合参赛学生的知识储备，有2 个方案可以选择[2]。

2.1 方案一

控制电路是低压电路控制高压电路，因此可以选择可编程控制器实现软件控制硬件。本方案选择学生在汽车单片机技术课程中应用的51 系列单片机作为控制器，软件利用C 语言编写程序，硬件由单片机输出高电平控制继电器线圈得电。

图1 所示为方案一的电路原理图，控制信号输入分别由P0 口和P2 口实现。P0 口1 号端子是制动信号输入端，设计高电平信号有效;P2 口1 号端子是起动开关信号输入端，低电平有效。输出信号由P1 口1 号端子（P1.1 端子）输出，设计高电平信号有效。

由于单片机输出驱动能力不足，需要借助驱动电路来驱动继电器工作，因此在执行器与控制器之间由继电器模块连接。当P1.1 端子输出高电平时，继电器模块提高输出电流，使继电器线圈得电，触点吸合。本方案中单片机电源选用5 V，电路供电电源为12 V，因此电路中加入电压转换芯片7805。液晶显示屏在车辆起动完成后，显示“READY”字样，模拟电动汽车仪表显示。

软件编程可实现如下功能：当踩下制动踏板，按钮S1 闭合，P1.1 端子由低电平变为高电平;如若此时按下起动开关，开关S2 闭合，P2.0 端子由悬空（默认高电平）变为低电平，P1.1 端子输出恒高电平。此后，无论松开制动踏板（S1 断开），还是再次踩下制动踏板，都不会改变P1.1 端子的输出状态。只有断开起动开关，P1.1 端子状态才输出低电平，切断高压回路。

2.2 方案二

控制电路也可以由完全的硬件电路实现，没有程序的控制，硬件电路就需要能够在起动后实现电路功能的自锁。这就要保证输出继电器的线圈在起动后仍然保持得电状态。基于这个考虑，方案二的输出继电器选择了双触点，利用其中的一个触点与自身的线圈串联，实现自锁（图2）。

电路中按钮作为制动信号（开关）与继电器RL2 线圈串联，起动开关与继电器RL2 触点串联，为自锁继电器（RL1）线圈供电。自锁继电器（RL1）是双触点继电器，其中一个触点连接电机控制器;另一个触点是自锁触点。当线圈得电后，自锁触点为线圈持续供电，这样当制动信号消失后，自锁继电器线圈仍然得电，触点保持吸合。

3 电路调试

方案一需要做软件联调和实际电路试验。软件联调时，电路功能基本能够正常运行，实际电路试验时继电器不工作（注：参数计算是电路设计的重要环节，而本电路设计之初，并没有进行参数的计算）。继电器不工作的原因可能是线圈中电流不符合要求，因为单片机I/O 口输出的拉电流有限。此电路中选用的单片机是AT89S52，P1.1 引脚输出拉电流不足0.1 mA，经三极管电流放大后为10.0 ～ 20.0 mA。这样的电流流经继电器线圈，不足以吸合触点，因此该方案需要改进。为了提高单片机输出驱动能力，在输出引脚P1.1 端子接入繼电器模块，最终电路功能实现[3-4]。

继电器模块由光耦电路、带常开与常闭触点的继电器等电路构成。光耦电路起到电气隔离的作用，即隔离控制电路与高压回路，提高电路的抗干扰能力。光耦工作需要的电流较小，可以由单片机输出端子控制，后经继电器进行电流放大。电路中有一处跳线，同一个模块，跳线的连接位置不同，电路的高、低电平驱动的方式不同。当工作在低电平驱动的模式下，系统加电复位时，负载不会误工作，提高电路的安全性。

继电器模块的控制电压在3 ～ 12 V（DC），适用于单片机的5 V 电源电压。被控电压可以达到30 V（DC），满足12 V 电源电路。继电器触点流过的电路最大可达到10.0 A，电路的带负载能力强。

继电器模块常用于单片机控制系统开发中，有了这个应用实践，可以为未来解决单片机控制电路驱动能力弱的问题积累经验。

方案二，先进行软件仿真，仿真工作正常。将电路接入电动汽车控制系统中，电路功能实现，多次试验后没有发现问题。

4 方案对比

2种方案各有优缺点。方案一功能较多，能实现仪表显示，而且软件编程可以灵活更改，缺点是需要有电压转换电路和输出驱动模块。方案二电路简单，稳定性高，缺点是功能有限。2 种方案设计理念不同，考察设计者的电路开发与调试的侧重点也不同，可根据实际需要进行选择。

5 结束语

本文是教师指导学生进行的电动巴哈赛车起动电路设计，在功能上2 个方案都实现了设计目标，而且都在电动赛车上进行了实测。选择2 种方案进行对比，是为了让学生充分利用所学知识：方案一所涉及的专业知识比较全面，方案二体现了设计的实用性。对于方案二，学生们还提出了选择不同触点配置继电器的不同解决方法。通过设计与实践，拓展了学生们的电路设计思路，激发了学生创新热情。