Placas eletrônicas do Cheetah E-Racing e suas aplicações no protótipo Deixe um comentário

Para construir um protótipo de fórmula elétrico são necessárias diversas etapas, por isso, a nossa equipe é dividida em diversas subequipes, onde cada uma tem suas próprias responsabilidades e deveres que vão ser importantes para a harmonia e funcionamento total do nosso veículo. A subequipe responsável por desenvolver placas eletrônicas é Sistemas Embarcados, e o trabalho deles não para somente nisso, eles também precisam fazer os códigos, quando necessário, e realizar os testes das mesmas, para comprovar toda a teoria idealizada.

Processo de desenvolvimento de uma placa?

A necessidade de criar uma placa nova passa principalmente pela interpretação das normas do regulamento da FSAE, se a ideia não ferir nenhuma das normas exigidas, a subequipe vai avaliar a complexibilidade e viabilidade de inseri-la no projeto.
Caso a placa seja aceita, vamos começar a desenvolvê-la com ajuda do software KiCad, e depois de finalizado o projeto, enviamos para a TEC-CI, uma empresa que nos patrocina e nos ajuda com a impressão das nossas placas projetadas. Mesmo depois que a placa chega para nós e realizamos a solda dos componentes nela, precisamos testá-la para ver se a placa foi projetada corretamente, se não, identificamos os erros e corrigimos para reenviar à TEC-CI e realizar o teste novamente.

Quais são as placas que temos atualmente?

Em nosso projeto de 2022 possuímos as seguintes placas:

  • Circuito de Segurança;
  • Circuito de Segurança do Carrinho de Baterias;
  • Isolação;
  • Luz de Freios;
  • Fusíveis (Geral);
  • Fusíveis (BMS);
  • Carregador;
  • Pré-Carga;
  • TSAL Controladora;
  • TSAL LED.

Agora, vamos mostrar para vocês a função, o projeto, informações de componentes e tudo o que é preciso para compreender o nosso projeto.

Carregador

A placa do carregador é uma das placas que vão no dentro do carrinho de baterias e tem a função de segurança em caso de algum erro vindo do Pré-Carga. Ou seja, se o sinal do Pré-Carga informar algum problema, a placa do Carregador vai cortar a alimentação AC do Carregador, e para isso, temos um relé 12VDC inserido na placa.

Layout da Placa do Carregador
Layout da Placa do Carregador

Circuito de Segurança

A nossa placa do Circuito de Segurança faz parte do nosso Circuito de Desligamento (Shutdown Circuit ou SDC), que é um dos meios de segurança que temos em nosso protótipo. Qualquer falha de um dos componentes que temos dentro desse Circuito de Desligamento, vai ser capaz de desatracar os AIR’s, para desenergizar a alta tensão presente no veículo.

Exemplo de um Esquemático de um Circuito de Desligamento
Exemplo de um Esquemático de um Circuito de Desligamento

Podemos dividir o CS (Circuito de Segurança) em 3 etapas, a primeira dela vai ser a leitura dos sinais enviados do BSPD (Brake System Plausibility Device), IMD (Insulation Monitoring Device) e BMS (Battery Management System). A leitura do BSPD, vai ser realizada através de um sensor que mede a pressão existente na linha de freios e um sensor Hall, que irá ler a corrente que vai para o motor para detectar a existência de potência no motor. Isto é importante para que o piloto não consiga acelerar e frear o carro ao mesmo tempo, pois isso causa danos em nosso motor.

O IMD é uma placa comprada pela equipe que consegue testar a isolação da alta tensão com a baixa tensão existente no nosso veículo, qualquer falha de isolação existente é detectada pela placa e o sinal de resposta é enviado ao CS.

Já o BMS é um componente que faz parte do sistema de Powertrain, ele é capaz de nos informar sobre o estado das nossas células de bateria de lítio. Qualquer dado que indique algum problema de saúde nas células é indicado pelo BMS ao CS.

Todos esses sinais são captados e passam pela lógica de componentes existentes da placa, essa lógica vai ser capaz de se adequar às exigências do regulamento que seguimos.
Após a leitura dos sinais, a próxima etapa do CS é realizar o destravamento do Latch caso haja algum problema em um dos três sinais que está sendo lido. E por fim, temos a última etapa que é a de potência, que irá ser responsável em desatracar os AIR’s, ou seja, a alta tensão do carro irá se extinguir. Caso haja uma falha, e todo esse processo seja realizado, a alta tensão do carro só voltará a funcionar caso seja ligada manualmente, assim, resetando o próprio CS e, consequentemente, o Circuito de Desligamento.

Nesta placa, possuímos um microcontrolador, que é o ATMega328P, e a presença dele causa certa insegurança quando pensamos que no regulamento diz que não pode existir nenhum tipo de lógica programável que interfira no SDC. Mas, a presença desse micro não fere esse ponto, e isso se dá pois utilizamos ele para termos um estado de auto-teste quando iniciamos a placa. Este estado basicamente ocorre somente nos dois segundos iniciais, onde o micro cria um sinal “fake” no lugar dos sinais reais do BSPD, IMD e BMS e, graças a isso, podemos testar se a nossa placa está funcionando corretamente, e no caso de algum possível erro, fica muito mais fácil de localizá-lo, já que o próprio micro irá nos informar a origem da falha. Esse auto-teste é isolado da operação normal através de chaves bidirecionais que impedem o ATmega interferir logicamente na placa.

Layout do Circuito de Segurança
Layout do Circuito de Segurança

Outro ponto importante da placa vem através do acionamento de LEDs presentes no painel no caso da detecção de alguma falha de algum dos três sinais principais. Cada sinal vai ter um LED correspondente, o que facilita tanto para o piloto quanto para a equipe toda na hora de repararmos este erro.

Circuito de Segurança do Carrinho de Baterias

O Circuito de Segurança presente no carrinho de baterias tem funções semelhantes ao outro Circuito de Segurança, ou seja, existe o monitoramento da isolação da TS e do GLV que é feito pelo IMD, o monitoramento da saúde das baterias de lítio, feito pelo BMS.

Em caso de falha encontrada por esses dois dispositivos, o SDC deve abrir, assim, cortando todo fluxo de corrente, deixando a tensão do TS igual ao do GLV em cinco segundos ou menos, desligando o Carregador, e esse Carregador deve permanecer desligado até que seja redefinido manualmente.

As diferenças entre os CS se dão por:

  • Possui apenas o BMS e o IMD, não possuindo o monitoramento do BSPD;
  • Possui um botão, com a função de desligar manualmente o TS no carrinho, que fica de fácil acesso para pessoas que estão trabalhando.
Layout do Circuito de Segurança do Carrinho de Baterias
Layout do Circuito de Segurança do Carrinho de Baterias

Luz de Freios

A placa da Luz de Freios é uma das placas que é exigida obrigatoriamente pelo regulamento, sua função é acender os LEDs da placa quando o piloto está freando o carro. Segundo o regulamento, a placa deve seguir certos pontos, como:

  • A Luz de Freios deve ser claramente visível da parte traseira do veículo sob uma luz solar forte;
  • Deve ser vermelha em um fundo preto;
  • Sua forma deve ser retangular, triangular ou quase redondo com uma superfície mínima de 15 cm2;
  • Deve estar montada verticalmente entre a linha central da roda e o nível do ombro do motorista e aproximadamente na linha central do veículo lateralmente;
  • Quando os LEDs são usados sem um difusor, elas não devem estar separadas por mais de 20 mm;
  • Se for utilizado uma única linha de LEDs, o comprimento mínimo é de 150 mm.
Layout da Luz de Freios
Layout da Luz de Freios

Fusíveis (Geral e BMS)

Temos em nosso projeto duas placas de fusíveis, uma que vai dentro do Contêiner do Acumulador e outra que vai dentro da Splitbox (Case de Proteção onde a maioria de nossas placas estão). As duas placas são placas simples, somente possuem fusíveis de proteção em caso de alguma falha de segurança, a diferença entre elas é o que elas protegem, a que vai dentro do Acumulador serve para proteger o nosso BMS, já a outra placa vai ser responsável por cuidar de todo o restante de nosso circuito elétrico.

Layout da placa de Fusíveis do BMS
Layout da placa de Fusíveis do BMS

 

Layout da placa de Fusíveis Geral
Layout da placa de Fusíveis Geral

Isolação

Temos também a placa de isolação em nosso projeto, sua finalidade se dá na necessidade de isolar a alta e a baixa tensão do CAN em nosso inversor. Em nosso regulamento, temos uma parte onde é citado que o inversor pode fazer parte do GLV e do TS, mas para isso precisa existir um isolamento galvânico.

A isolação é feita por um optoacoplador de alta velocidade (6N137) e também temos a presença de um STM32, assim, podemos operar a placa juntamente com as saídas analógicas e digitais.

Layout da placa de Isolação
Layout da placa de Isolação

Pré-Carga

O Pré-Carga faz parte das placas que são exigidas pelo regulamento, sua importância se justifica pela necessidade do acumulador possuir uma placa onde ela é capaz de carregar o Circuito Intermediário, que é o circuito que passa pelo SDC e começa a carregar o primeiro AIR, a um mínimo de 90% da tensão do Acumulador antes de fechar o segundo AIR.

Para realizar o controle do Pré-Carga, temos duas opções a serem escolhidas:

  • Através de um feedback monitorando a tensão no circuito intermediário;
  • Por tempo, levando em consideração o maior tempo entre o cálculo de duas vezes o tempo para carregar até 90% e o tempo de carregamento de 90% mais 500ms.

Outra função do Pré-Carga é realizar a descarga do circuito. Ele precisa ser projetado para lidar com a corrente de descarga máxima por, no mínimo, 15 segundos. Essa descarga deve ser feita quando:

  • O SDC estiver aberto;
  • Quando o HVD (High Voltage Disconnect) for utilizado.

Não podem ser utilizados sensores de temperatura do tipo PTC para limitar a corrente para o circuito de descarga ou de pré-carga e o relé do pré-carga deve ser do tipo mecânico.

Layout do Pré-Carga
Layout do Pré-Carga

Termistores

Temos também em nosso projeto a placa de termistores, que consiste em uma placa com um termistor inserido nela para que ele possa medir a temperatura nas células. Essa placa vai dentro do Contêiner do Acumulador e precisa medir a temperatura de todas as células. Outros requisitos, pedidos também pelo regulamento, são:

  • A medição da temperatura deve ser feita no terminal negativo da respectiva célula;
  • O sensor deve estar em contato com o próprio terminal negativo ou o barramento do terminal negativo a menos de 10mm do terminal da célula;
  • O sensor deve ter isolamento elétrico adequado para que atenda o isolamento entre o sensor e célula ou no circuito de detecção. O isolamento deve considerar os isolamentos GLV/TS e os locais com pontos em comum desses dois.

TSAL Controladora e TSAL LED

A TSAL (Tractive Systems Active Light) é uma placa exigida pelo regulamento. E como toda placa, temos algumas regras e normas para construí-la, que são:

  • Deve acender quando o sistema GLV for energizado, assim, indicando o status do TS (Tractive System);
  • Ser controlada diretamente pela tensão presente no TS usando fios. Não é permitido controle por software;
  • Não pode executar quaisquer outras funções;
  • Pode ser composto por várias luzes dentro de um único alojamento;
  • Se a tensão fora do contêiner do acumulado exceder 65 VDC, a TSAL deve ficar vermelha e piscar com uma frequência entre 2 Hz e 5 Hz;
  • Se a tensão fora do contêiner do acumulado estiver abaixo de 60 VDC, a TSAL deve ficar verde e permanecer continuamente iluminada.
  • A TSAL deve estar localizada próxima do Main Hoop (o ponto mais alto do veículo), especificamente, não pode estar abaixo de 150 mm do Main Hoop, e deve estar dentro de uma case de proteção contra capotamento. Além de não poder entrar em contato com o capacete do motorista em nenhum momento e nem estar próximo de outras luzes.
  • Ela deve ser visível de qualquer direção horizontal, exceto pequenos ângulos que são bloqueados pelo Main Hoop, de um ponto a 1,6 m verticalmente do nível do solo (dentro de um raio horizontal de 3 m da TSAL) e em contato direto com a luz solar.

No nosso projeto, utilizamos uma fita de LED ao invés de LEDs independentes. A nossa Case de Proteção é constituída por duas peças encaixáveis, o que facilita no caso de precisarmos tirar a TSAL do veículo.

Optamos por separar a TSAL em duas placas, uma sendo a TSAL Controladora e a outra a TSAL LED. A TSAL LED vai montada junto de sua Case de Proteção no Main Hoop, e é uma placa onde temos somente um circuito para receber o sinal da TSAL Controladora para ligar a fita de LED que a envolve. A TSAL Controladora, como o nome já diz, vai realizar todo o controle de captar o sinal vindo do container do acumulador informando o seu valor, e dependendo de qual for o valor, ela enviará uma resposta para TSAL LED entrar em uma das suas duas configurações. O TS e o GLV são isolados nessa placa através de um optoacoplador.

Layout da TSAL Controladora
Layout da TSAL Controladora

 

Layout da TSAL LED
Layout da TSAL LED

 

Vista Explodida da montagem da Case da TSAL com a TSAL
Vista Explodida da montagem da Case da TSAL com a TSAL

Esse conteúdo é resultado da parceria da FilipeFlop com a Cheetah E-Racing. Curtiu o conteúdo? Então deixe seu comentário abaixo! E não esqueça de acompanhar a Cheetah E-Racing nas redes sociais.

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