Jos päävirtakatkaisijasta lähtee yksi paksu kaapeli sulakerasialle ja loput ratkaistaan myöhemmin, ongelmat tulevat yleensä esiin ensimmäisellä lämpimällä ratapäivällä. Kilpa-auton sähköjärjestelmän suunnitteluopas alkaa siksi toiminnosta, ei yksittäisestä osasta: mitä auton on tehtävä, missä olosuhteissa ja miten vika löydetään varikolla nopeasti.
Hyvä sähköjärjestelmä ei näy kierrosajassa suoraan, mutta huono järjestelmä pysäyttää auton varmasti. Jännitehäviö voi aiheuttaa ECU:n resetoinnin, häiriöinen triggerisignaali sytytyskatkon ja huonosti suojattu johtosarja tulipalon riskin. Kun kokonaisuus suunnitellaan oikein, moottorinohjaus, polttoainejärjestelmä, jäähdytyspuhaltimet, valot, dataloggeri ja turvalaitteet toimivat hallittavana pakettina.
Aloita kuormista ja käyttötilanteista
Piirrä ensin järjestelmäkaavio ennen kuin tilaat metriäkään johtoa. Merkitse siihen akku, päävirtakatkaisin, laturi, startti, ECU, PDM tai sulake- ja relekeskus, anturit, toimilaitteet, CAN-laitteet sekä maadoituspisteet. Kaavion ei tarvitse olla hieno CAD-kuva, mutta jokaisella lähdöllä pitää olla selkeä tehtävä, sulake- tai virtaraja, johdinkoko ja liitintyyppi.
Kuormalaskenta tehdään jatkuvan virran, käynnistysvirran ja hetkellisten huippujen mukaan. Polttoainepumppu, puhaltimet, sähköinen vesipumppu, lisävalot ja lämmityselementit voivat nostaa kokonaiskuormaa nopeasti. Startti on oma tapauksensa: sen kaapelointi, pääsulake ja päävirtakatkaisija mitoitetaan käynnistysvirran mukaan, kun taas ECU:n ja anturien syötöt vaativat ennen kaikkea puhtaan, vakaan jännitteen.
Auton käyttötapa ratkaisee paljon. Sprintti- tai driftauto voi pärjätä yksinkertaisemmalla toteutuksella kuin endurance-auto, jossa huollettavuus, varalähdöt ja selkeä vianhaku korostuvat. Jos autoa ajetaan pimeällä, sateessa tai talvella, myös valojen, huurteenpoiston ja ympäristösuojauksen vaatimukset muuttuvat.
Kilpa-auton sähköjärjestelmän suunnitteluopas: päävirta ja tehonjako
Akun sijainti, päävirtakatkaisija ja maadoitus määrittävät koko järjestelmän perustan. Akun plusnavalta lähtevä pääkaapeli suojataan mahdollisimman lähellä akkua, ellei kilpailusarjan sääntö tai järjestelmän rakenne edellytä muuta ratkaisua. Kaapeli reititetään suojassa kuumuudelta, teräviltä reunoilta, kardaanilta ja liikkuvilta alustan osilta. Läpivienneissä käytetään aina kunnollista läpivientisuojaa tai bulkhead-liitintä.
Päävirtakatkaisijan tarkoitus ei ole vain katkaista akkua. Sen on pysäytettävä moottori turvallisesti myös silloin, kun laturi tuottaa virtaa. Toteutus riippuu laturista, ECU:sta ja kilpailusäännöistä, joten katkaisijan kytkentä pitää varmistaa kyseisen auton ja sarjan vaatimuksiin. Pelkkä akun miinusnavan irrotus ei välttämättä sammuta käyvää moottoria.
PDM tai PMU korvaa perinteiset sulakkeet ja releet silloin, kun halutaan ohjelmoitava virranhallinta, kuormakohtainen suojaus ja diagnostiikka. ECUMasterin ja muiden vastaavien järjestelmien etu on siinä, että pumpun, puhaltimen tai valopiirin virta voidaan nähdä datasta ja katkaisurajat voidaan määrittää kuorman mukaan. Tämä vähentää releiden määrää, mutta ei poista tarvetta oikeille johdinkokoille, liittimille ja pääsulakkeille.
Perinteinen sulake- ja relekeskus on silti täysin toimiva valinta yksinkertaiseen rakennelmaan. Se on usein edullisempi ja korjattavissa missä tahansa varikolla, jos toteutus on dokumentoitu. PDM on perusteltu erityisesti silloin, kun toimintoja on paljon, CAN-järjestelmää käytetään laajasti tai auton vianhakuun halutaan selkeä seuraava taso.
ECU, moottorijohtosarja ja signaalien laatu
Moottorinohjaus tarvitsee oman, suunnitellun virransyötön. ECU:n päävirta, anturireferenssi, anturimaat ja tehomaat eivät saa muuttua sattumanvaraiseksi nipuksi moottorin kyljessä. Link ECU Wire-In ECU tai muu standalone-ohjain toimii parhaiten, kun sen valmistajan kytkentäohjeita noudatetaan täsmällisesti ja moottorijohtosarja rakennetaan juuri kyseiselle kokoonpanolle.
Kampiakselin ja nokka-akselin triggerianturit ovat järjestelmän kriittisimpiä signaaleja. Triggerijohtimet reititetään erillään puolien, suuttimien, laturin ja puhaltimien tehojohdoista. Tarvittaessa käytetään suojattua parikaapelia, ja suojavaippa maadoitetaan valmistajan ohjeen mukaisesti, tyypillisesti vain yhdestä päästä. Suojauksen molempien päiden maadoittaminen ilman tarkoitusta voi muodostaa häiriöitä keräävän silmukan.
Sama ajattelu koskee painetta, lämpötilaa, lambdaa ja Flex Fuel -anturia. Analoginen anturisignaali ei pidä pitkistä yhteisistä maalenkeistä eikä relekelojen vierestä kulkevasta johtoreitistä. Digitaalinen CAN-väylä taas vaatii kierretyn parin, oikean päätevastuksen ja selkeän topologian. CAN-laitteita ei vedetä summittaisina haaroina pitkin autoa, jos tavoitteena on luotettava data dashboardille, PDM:lle ja dataloggerille.
Maadoitus ratkaisee enemmän kuin näyttävä johtosarja
Moni sähkövika on todellisuudessa maadoitusvika. Moottorin ja korin välinen maakaapeli mitoitetaan startin ja laturin kuorman mukaan, ja kosketuspinnat puhdistetaan maalista sekä hapettumasta. ECU:n tehomaat viedään valmistajan määrittämään pisteeseen, usein sylinterikanteen tai moottorilohkoon, eikä niitä sekoiteta satunnaisesti kojelaudan runkomaahan.
Anturimaat ovat oma ryhmänsä. Ne palautetaan ECU:n anturimaa-nastoille, eivät lähimpään runkopulttiin. Jos esimerkiksi öljynpaineanturi, imusarjapaineanturi ja kaasupolkimen asentoanturi jakavat väärän maareitin, jännite-ero voi näkyä datassa virheellisinä paineina tai kaasun asennon hyppimisenä.
Jokainen päämaadoituspiste kannattaa merkitä kaavioon ja fyysisesti autoon. Kun auto ei käynnisty kilpailuviikonlopun aamuna, merkinnät säästävät enemmän aikaa kuin yksikään hieno kutistesukka.
Johtosarjan rakenne, liittimet ja huollettavuus
Kilpa-auton johtosarja ei ole pelkkä kasa oikeanvärisiä johtimia. Se on mekaaninen rakenne, jonka pitää kestää lämpöä, tärinää, kosteutta, polttoainehöyryjä ja jatkuvaa huoltoa. Moottoritilassa käytetään käyttökohteeseen soveltuvia korkealämpöisiä johtimia, suojasukkaa ja tiivistettyjä liittimiä. Kojelaudan sisällä vaatimukset ovat kevyemmät, mutta myös siellä johtojen pitää olla tuettuja ja selkeästi ryhmiteltyjä.
Deutsch-, Autosport- tai vastaavan tason liitin valitaan nastamäärän, virrankeston, ympäristön ja huoltotarpeen perusteella. Kaikkialle ei tarvita kalleinta motorsport-liitintä, mutta halpa yleisliitin ei kuulu moottoritilaan, pyöräkoteloon tai kohtaan, jota avataan jokaisessa huollossa. Liittimen puristus tehdään oikealla työkalulla, oikealla kontaktilla ja vedonpoistolla. Juotettu jatkos tärisevässä johtosarjassa on harvoin paras ratkaisu.
Jätä johtosarjaan hallittu huoltovara esimerkiksi moottorin liikkeen, ECU-telineen irrotuksen ja kojelaudan noston vuoksi. Liian tiukalle vedetty nippu rasittaa liittimiä. Liian pitkä, kiertävä nippu taas kerää painoa, hankautuu ja tekee vianhausta hitaampaa. Reititys kannattaa suunnitella niin, että moottori-, kori- ja kojelautasarjat voidaan erottaa toisistaan bulkhead-liittimillä.
Testaa ennen kuin auto on valmis
Sähköjärjestelmää ei oteta käyttöön ensimmäisen kerran moottori käynnissä. Tarkista ensin jatkuvuus, oikosulut, maadoitukset ja jokaisen sulakkeen tai PDM-lähdön kuorma. Käytä virranrajoitettua virtalähdettä tai sopivaa testimenetelmää, kun herätät järjestelmän ensimmäisen kerran. Näin väärin kytketty lähtö ei polta johtosarjaa tai kallista ECU:ta.
Testaa toiminto kerrallaan: päävirta, ECU:n herätys, triggerisignaalit, polttoainepumppu, puhaltimet, valot, startti ja CAN-laitteet. Katso samalla datasta akun jännite, antureiden arvot ja mahdolliset CAN-virheet. Kun moottori käy, mittaa jännite myös kuormitettuna - puhaltimet päällä, pumppu käynnissä ja kierroksilla. Laturin toiminta ei ole kunnossa vain siksi, että mittarissa näkyy tyhjäkäynnillä yli 13 volttia.
Tallenna lopullinen kytkentäkaavio, sulake- tai PDM-kanavalista, johtovärit, liitinnumerointi ja varaosatiedot auton dokumentaatioon. Kilpa-autossa hyvä dokumentointi ei ole toimistotyötä, vaan osa huollettavuutta. Kun johtosarja pitää korjata reissussa tai auto vaihtaa omistajaa, tieto on yhtä arvokasta kuin laadukas komponentti.
Jos kokonaisuudessa on moottorinvaihto, standalone-ECU, useita CAN-laitteita ja PDM, suunnittelu kannattaa tehdä ennen osien tilaamista. Oulussa TPW Partsilla rakennettavassa custom-johtosarjassa lähtötiedot, komponenttivalinnat ja huoltotarve voidaan määrittää samassa vaiheessa. Paras sähköjärjestelmä on sellainen, jota ei tarvitse ajatella ajon aikana - mutta jonka jokainen piiri on helppo ymmärtää, kun auto on pukilla.
