关于开发无人驾驶电动赛车的一些问题的解答

KTH Formula Student是位于瑞典斯德哥尔摩皇家技术学院的一个项目。该项目是关于开发无人驾驶电动赛车的，NCAB瑞典赞助了该项目的PCB。

为什么NCAB会对这个项目感兴趣？“NCAB一直在努力填补PCB技术领域的新专业知识和人才，因此需要将目光放得更宽更远，为我们将来的人才库储备人才。我们希望吸引所有年轻人，既要对当代年轻人对技术的兴趣进行鼓励，同时也要向人们普及这个当今瑞典年轻人并不十分了解的行业的知识。我们认为，KTH方程式学生计划是一个非常棒的项目，非常符合我们的目标。”

电动交通的未来

KTH Formula Student项目开始于2003年。该项目旨在提高学生的实践能力，来设计出电动汽车的未来。NCAB采访了部分参与该项目的学生，了解了他们的项目以及他们在项目中所负责的部分。

Robin Wikstrom， 项目经理："KTH Formula Student项目的目的在于学习如何应用我们在学校获得的各种理论知识。这是一个非常有野心的项目，KTH各地的学生都参与了开发赛车的各个环节，这其中包括营销、管理和设计。然后，我们的成果会受到行业专家的评估，通过动态和静态事件来测试我们的工程技术以及汽车的性能。"

Kim Strinnholm和Jordi Altayo是汽车工程和嵌入式系统的硕士，分别在项目中担任动力技术主管和电子技术主管。他们与项目组的其他人一起合作完成产品的开发，其中包括电力传动系统、高压电池、BMS（电池管理系统）以及与控制和安全系统相关的所有电子电路问题。

Q：除了电池之外，关于电动机和逆变器还有哪些有趣的信息吗？

A：“我们正在为2021年的比赛而制造赛车，为此，我们将从AMK电机购买专门为Formula Student项目优化的电机和逆变器套件。它由4个同步永磁毂电机组成的动力传动系统，最大输出功率超过80kW，由4个单独的电机控制器驱动，效率约为98%。为了更好地控制这种高输出功率并在比赛中呈现成尽可能好地性能，我们正在开发自己的扭矩矢量和牵引力控制逻辑系统。”

Q：您设计的是哪种类型的PCB？如何设计的？使用的是什么工具？

A：“我们使用的大多数PCB都是较低复杂性的两层板。通常，微控制器相关的PCB会有附加的分立组件来实现特定功能。另外，项目规定了我们只能在不使用诸如微控制器之类的可编程组件的情况下设计某些系统。

我们的设计思路是从明确电子系统需满足的所有要求和功能以及不同系统间的交互入手，然后从原理图开始到PCB设计，进行所有系统的设计。针对设计过程中的每一个步骤，都会有一个审查阶段，在这个阶段，经验更丰富的成员或者项目合作专家会审查目前已完成的工作。设计过程的最后一步是对特定系统进行测试和验证，通过之后再将其置入汽车内部进行最终验证。

我们使用的PCB设计工具是KiCAD，这是一种开源的PCB设计工具，易于学习和掌握，并且具备我们所需的所有功能。”Carolina Hallenius，NCAB瑞典的初级产品专家，介绍NCAB所赞助的PCB：“KTH Formula Student项目将参加2021 Formula Student比赛。自上一次参赛以来，他们已经在产品开发过程中摸索了很久。从原型阶段开始到最后阶段，NCAB负责制造PCB，这些PCB主要是不同类型的双层板以及一个8层板。

双层板主要是控制汽车的电气系统和BMS系统，规格为1oz，HASL，尺寸在100x100mm以下。8层板则需要厚铜，进行HASL时，铜的最大重要为6oz，尺寸约为100x200mm。该项目的PCB主要为以下三大类：高压（60V以上） - 8L；低压（60V以下） - 2L；电池管理系统（BMS） - 2L。

8层板被用于高压部分，需要满足电隔离或仅使用非可编程逻辑之类的要求。它的设计重点是安全，来确保所有的故障都不会危及到驾驶员或乘客。高压区域分为两个部分：牵引系统主动灯（TSAL）。简而言之，如果汽车中存在高电压的风险，那么该系统将通过闪烁明亮的灯光来警示。如果没有高压，灯光将会是绿色。预充电是BMS系统中的受控部分。预充电的主要目的是在启动过程中通过电阻将DVC连接来进行缓慢充电，避免大量涌入造成的电容器或电池损坏。

2层板主要被用于低压区域，包括用于车辆数据的测量采集和用于驾驶员监视汽车状态以及调整车辆性能的仪表盘。该部分控制诸如扭矩矢量、牵引力控制和再生制动的作用。数据采集包含三个模块：

DCU（驾驶员控制单元）：包括驾驶员转向角、制动踏板和油门踏板的参数。VMU（车辆测量单元）：包括车轮速度、悬架行程、轮胎温度和制动温度的参数。AVMU（辅助车辆测量单元）：包括用于悬架安装点的应变仪、用于航空装置的应变仪和方向盘扭矩编码器的参数。

电池管理系统（BMS）也使用的是2层板。该区域监视电池状态，测量汽车中所有电池的伏特和温度，确保汽车中的所有系统维持在制造商指定的正确电压和温度范围。如果汽车的某个系统发生错误，则将通过过LED指示灯在仪表盘中警示驾驶员。它还包括各种附加功能，驾驶员可以通过方向盘上的屏幕菜单来手动控制。“

继续回到与Kim Strinnholm和Jordi Altayo的话题：

Q：你们认为最大的挑战是什么？

A：”协调一个由100多个人组成的团队，让大家都朝着共同的目标努力，并且确保团队内部良好的沟通，这是很大的挑战。

当涉及到技术问题时，高压电池时汽车中最复杂的系统，因为它涉及到很多方面的理论，需要跨学科合作，必须要具有机械涉及、复合材料、动力总成模拟和电子设计方面的专业知识。所有的工作都必须朝着同样的设计方向进行，这个设计需要满足竞赛规则并将我们的需求（例如重量和可持续性）集成在一起。“

Q：在您的设计中，什么是最重要的？哪个部分是不容许失效的？

A：”我们的设计以及在动力总成和电子领域的一些关键部分是可追溯的，并且进行了存档，我们需要明确执行和记录我们的设计选择。这主要是由于两个因素：一是作为赛车评估的一部分，我们需要在比赛中捍卫我们的设计，二是当新成员接手旧项目时，他们需要了解掌握部分文件。

就汽车中最重要的系统而言，当然是安全系统，确保车辆的安全运行以及600伏特的高压系统。这包括从安全联锁到主控制单元中的安全状态机的所有内容，主控制单元正在监视对于安全操作至关重要的所有内容，但首先是隔离轿厢中的一切。用于高压电池的BMS系统是该总体安全系统的另一个重要部分。“

Q：从可持续发展的角度来看，您是如何提高汽车的效率的？您还参加过哪些比赛？

A：”我们团队的核心价值之一就是可持续性，它贯穿了所有过程，从材料选择到调整动力传动系统，一切都以可持续性为评估点。这就是为什么，例如，将效率问题作为我们的主要目标之一，并且将重点放在再生制动问题上，使其在耐力赛中能够做到最低消耗。这也是为什么诸如滚动阻力、阻力系数和重量之类的性能参数对我们很重要的原因。

在过去10年中，KTH Formula Student参加了电气竞赛。自去年以来，我们还在无人驾驶类中进行竞争，主要是借助额外执行器、传感器和计算机将汽车从电动竞赛转变为无人驾驶。我们是少数这样做的团队之一，正常的流程是应该拥有两辆不同的汽车。但是通过这样做，我们可以更有效地利用我们地资源，并且可以采取更具可持续性的方法来参与多个类别的竞赛。“

Carolina Hallenius最后评论道：”KTH Formula Student是一个充满激情的团队，很有野心，可以解决他们在开发可持续的电动和无人驾驶赛车方面面临的挑战。他们的目标是跻身Formula Student的前五名，我们也在尽一切努力帮助他们实现目标。因此，我们将提供在PCB方面的丰富经验和知识的帮助。通过为团队制作可靠、保证质量和可持续的PCB，我们与之建立了牢固的关系，来了解他们需要的PCB产品，并最终全权负责PCB的生产制造。“

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