關(guān)于開發(fā)無(wú)人駕駛電動(dòng)賽車的一些問(wèn)題的解答

KTH Formula Student是位于瑞典斯德哥爾摩皇家技術(shù)學(xué)院的一個(gè)項(xiàng)目。該項(xiàng)目是關(guān)于開發(fā)無(wú)人駕駛電動(dòng)賽車的，NCAB瑞典贊助了該項(xiàng)目的PCB。

為什么NCAB會(huì)對(duì)這個(gè)項(xiàng)目感興趣？“NCAB一直在努力填補(bǔ)PCB技術(shù)領(lǐng)域的新專業(yè)知識(shí)和人才，因此需要將目光放得更寬更遠(yuǎn)，為我們將來(lái)的人才庫(kù)儲(chǔ)備人才。我們希望吸引所有年輕人，既要對(duì)當(dāng)代年輕人對(duì)技術(shù)的興趣進(jìn)行鼓勵(lì)，同時(shí)也要向人們普及這個(gè)當(dāng)今瑞典年輕人并不十分了解的行業(yè)的知識(shí)。我們認(rèn)為，KTH方程式學(xué)生計(jì)劃是一個(gè)非常棒的項(xiàng)目，非常符合我們的目標(biāo)。”

電動(dòng)交通的未來(lái)

KTH Formula Student項(xiàng)目開始于2003年。該項(xiàng)目旨在提高學(xué)生的實(shí)踐能力，來(lái)設(shè)計(jì)出電動(dòng)汽車的未來(lái)。NCAB采訪了部分參與該項(xiàng)目的學(xué)生，了解了他們的項(xiàng)目以及他們?cè)陧?xiàng)目中所負(fù)責(zé)的部分。

Robin Wikstrom， 項(xiàng)目經(jīng)理："KTH Formula Student項(xiàng)目的目的在于學(xué)習(xí)如何應(yīng)用我們?cè)趯W(xué)校獲得的各種理論知識(shí)。這是一個(gè)非常有野心的項(xiàng)目，KTH各地的學(xué)生都參與了開發(fā)賽車的各個(gè)環(huán)節(jié)，這其中包括營(yíng)銷、管理和設(shè)計(jì)。然后，我們的成果會(huì)受到行業(yè)專家的評(píng)估，通過(guò)動(dòng)態(tài)和靜態(tài)事件來(lái)測(cè)試我們的工程技術(shù)以及汽車的性能。"

Kim Strinnholm和Jordi Altayo是汽車工程和嵌入式系統(tǒng)的碩士，分別在項(xiàng)目中擔(dān)任動(dòng)力技術(shù)主管和電子技術(shù)主管。他們與項(xiàng)目組的其他人一起合作完成產(chǎn)品的開發(fā)，其中包括電力傳動(dòng)系統(tǒng)、高壓電池、BMS（電池管理系統(tǒng)）以及與控制和安全系統(tǒng)相關(guān)的所有電子電路問(wèn)題。

Q：除了電池之外，關(guān)于電動(dòng)機(jī)和逆變器還有哪些有趣的信息嗎？

A：“我們正在為2021年的比賽而制造賽車，為此，我們將從AMK電機(jī)購(gòu)買專門為Formula Student項(xiàng)目?jī)?yōu)化的電機(jī)和逆變器套件。它由4個(gè)同步永磁轂電機(jī)組成的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，最大輸出功率超過(guò)80kW，由4個(gè)單獨(dú)的電機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)，效率約為98%。為了更好地控制這種高輸出功率并在比賽中呈現(xiàn)成盡可能好地性能，我們正在開發(fā)自己的扭矩矢量和牽引力控制邏輯系統(tǒng)?！?/p>

Q：您設(shè)計(jì)的是哪種類型的PCB？如何設(shè)計(jì)的？使用的是什么工具？

A：“我們使用的大多數(shù)PCB都是較低復(fù)雜性的兩層板。通常，微控制器相關(guān)的PCB會(huì)有附加的分立組件來(lái)實(shí)現(xiàn)特定功能。另外，項(xiàng)目規(guī)定了我們只能在不使用諸如微控制器之類的可編程組件的情況下設(shè)計(jì)某些系統(tǒng)。

我們的設(shè)計(jì)思路是從明確電子系統(tǒng)需滿足的所有要求和功能以及不同系統(tǒng)間的交互入手，然后從原理圖開始到PCB設(shè)計(jì)，進(jìn)行所有系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。針對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程中的每一個(gè)步驟，都會(huì)有一個(gè)審查階段，在這個(gè)階段，經(jīng)驗(yàn)更豐富的成員或者項(xiàng)目合作專家會(huì)審查目前已完成的工作。設(shè)計(jì)過(guò)程的最后一步是對(duì)特定系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證，通過(guò)之后再將其置入汽車內(nèi)部進(jìn)行最終驗(yàn)證。

我們使用的PCB設(shè)計(jì)工具是KiCAD，這是一種開源的PCB設(shè)計(jì)工具，易于學(xué)習(xí)和掌握，并且具備我們所需的所有功能?！?span style="text-indent: 2em;">Carolina Hallenius，NCAB瑞典的初級(jí)產(chǎn)品專家，介紹NCAB所贊助的PCB：“KTH Formula Student項(xiàng)目將參加2021 Formula Student比賽。自上一次參賽以來(lái)，他們已經(jīng)在產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程中摸索了很久。從原型階段開始到最后階段，NCAB負(fù)責(zé)制造PCB，這些PCB主要是不同類型的雙層板以及一個(gè)8層板。

雙層板主要是控制汽車的電氣系統(tǒng)和BMS系統(tǒng)，規(guī)格為1oz，HASL，尺寸在100x100mm以下。8層板則需要厚銅，進(jìn)行HASL時(shí)，銅的最大重要為6oz，尺寸約為100x200mm。該項(xiàng)目的PCB主要為以下三大類：高壓（60V以上） - 8L；低壓（60V以下） - 2L；電池管理系統(tǒng)（BMS） - 2L。

8層板被用于高壓部分，需要滿足電隔離或僅使用非可編程邏輯之類的要求。它的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是安全，來(lái)確保所有的故障都不會(huì)危及到駕駛員或乘客。高壓區(qū)域分為兩個(gè)部分：牽引系統(tǒng)主動(dòng)燈（TSAL）。簡(jiǎn)而言之，如果汽車中存在高電壓的風(fēng)險(xiǎn)，那么該系統(tǒng)將通過(guò)閃爍明亮的燈光來(lái)警示。如果沒有高壓，燈光將會(huì)是綠色。預(yù)充電是BMS系統(tǒng)中的受控部分。預(yù)充電的主要目的是在啟動(dòng)過(guò)程中通過(guò)電阻將DVC連接來(lái)進(jìn)行緩慢充電，避免大量涌入造成的電容器或電池?fù)p壞。

2層板主要被用于低壓區(qū)域，包括用于車輛數(shù)據(jù)的測(cè)量采集和用于駕駛員監(jiān)視汽車狀態(tài)以及調(diào)整車輛性能的儀表盤。該部分控制諸如扭矩矢量、牽引力控制和再生制動(dòng)的作用。數(shù)據(jù)采集包含三個(gè)模塊：

DCU（駕駛員控制單元）：包括駕駛員轉(zhuǎn)向角、制動(dòng)踏板和油門踏板的參數(shù)。VMU（車輛測(cè)量單元）：包括車輪速度、懸架行程、輪胎溫度和制動(dòng)溫度的參數(shù)。AVMU（輔助車輛測(cè)量單元）：包括用于懸架安裝點(diǎn)的應(yīng)變儀、用于航空裝置的應(yīng)變儀和方向盤扭矩編碼器的參數(shù)。

電池管理系統(tǒng)（BMS）也使用的是2層板。該區(qū)域監(jiān)視電池狀態(tài)，測(cè)量汽車中所有電池的伏特和溫度，確保汽車中的所有系統(tǒng)維持在制造商指定的正確電壓和溫度范圍。如果汽車的某個(gè)系統(tǒng)發(fā)生錯(cuò)誤，則將通過(guò)過(guò)LED指示燈在儀表盤中警示駕駛員。它還包括各種附加功能，駕駛員可以通過(guò)方向盤上的屏幕菜單來(lái)手動(dòng)控制。“

繼續(xù)回到與Kim Strinnholm和Jordi Altayo的話題：

Q：你們認(rèn)為最大的挑戰(zhàn)是什么？

A：”協(xié)調(diào)一個(gè)由100多個(gè)人組成的團(tuán)隊(duì)，讓大家都朝著共同的目標(biāo)努力，并且確保團(tuán)隊(duì)內(nèi)部良好的溝通，這是很大的挑戰(zhàn)。

當(dāng)涉及到技術(shù)問(wèn)題時(shí)，高壓電池時(shí)汽車中最復(fù)雜的系統(tǒng)，因?yàn)樗婕暗胶芏喾矫娴睦碚?，需要跨學(xué)科合作，必須要具有機(jī)械涉及、復(fù)合材料、動(dòng)力總成模擬和電子設(shè)計(jì)方面的專業(yè)知識(shí)。所有的工作都必須朝著同樣的設(shè)計(jì)方向進(jìn)行，這個(gè)設(shè)計(jì)需要滿足競(jìng)賽規(guī)則并將我們的需求（例如重量和可持續(xù)性）集成在一起?！?/p>

Q：在您的設(shè)計(jì)中，什么是最重要的？哪個(gè)部分是不容許失效的？

A：”我們的設(shè)計(jì)以及在動(dòng)力總成和電子領(lǐng)域的一些關(guān)鍵部分是可追溯的，并且進(jìn)行了存檔，我們需要明確執(zhí)行和記錄我們的設(shè)計(jì)選擇。這主要是由于兩個(gè)因素：一是作為賽車評(píng)估的一部分，我們需要在比賽中捍衛(wèi)我們的設(shè)計(jì)，二是當(dāng)新成員接手舊項(xiàng)目時(shí)，他們需要了解掌握部分文件。

就汽車中最重要的系統(tǒng)而言，當(dāng)然是安全系統(tǒng)，確保車輛的安全運(yùn)行以及600伏特的高壓系統(tǒng)。這包括從安全聯(lián)鎖到主控制單元中的安全狀態(tài)機(jī)的所有內(nèi)容，主控制單元正在監(jiān)視對(duì)于安全操作至關(guān)重要的所有內(nèi)容，但首先是隔離轎廂中的一切。用于高壓電池的BMS系統(tǒng)是該總體安全系統(tǒng)的另一個(gè)重要部分?！?/p>

Q：從可持續(xù)發(fā)展的角度來(lái)看，您是如何提高汽車的效率的？您還參加過(guò)哪些比賽？

A：”我們團(tuán)隊(duì)的核心價(jià)值之一就是可持續(xù)性，它貫穿了所有過(guò)程，從材料選擇到調(diào)整動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，一切都以可持續(xù)性為評(píng)估點(diǎn)。這就是為什么，例如，將效率問(wèn)題作為我們的主要目標(biāo)之一，并且將重點(diǎn)放在再生制動(dòng)問(wèn)題上，使其在耐力賽中能夠做到最低消耗。這也是為什么諸如滾動(dòng)阻力、阻力系數(shù)和重量之類的性能參數(shù)對(duì)我們很重要的原因。

在過(guò)去10年中，KTH Formula Student參加了電氣競(jìng)賽。自去年以來(lái)，我們還在無(wú)人駕駛類中進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)，主要是借助額外執(zhí)行器、傳感器和計(jì)算機(jī)將汽車從電動(dòng)競(jìng)賽轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)人駕駛。我們是少數(shù)這樣做的團(tuán)隊(duì)之一，正常的流程是應(yīng)該擁有兩輛不同的汽車。但是通過(guò)這樣做，我們可以更有效地利用我們地資源，并且可以采取更具可持續(xù)性的方法來(lái)參與多個(gè)類別的競(jìng)賽?！?/p>

Carolina Hallenius最后評(píng)論道：”KTH Formula Student是一個(gè)充滿激情的團(tuán)隊(duì)，很有野心，可以解決他們?cè)陂_發(fā)可持續(xù)的電動(dòng)和無(wú)人駕駛賽車方面面臨的挑戰(zhàn)。他們的目標(biāo)是躋身Formula Student的前五名，我們也在盡一切努力幫助他們實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。因此，我們將提供在PCB方面的豐富經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)的幫助。通過(guò)為團(tuán)隊(duì)制作可靠、保證質(zhì)量和可持續(xù)的PCB，我們與之建立了牢固的關(guān)系，來(lái)了解他們需要的PCB產(chǎn)品，并最終全權(quán)負(fù)責(zé)PCB的生產(chǎn)制造?！?/span>

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