FSE电动方程式赛车动力系统匹配设计

贺焕利，蒲雨



FSE电动方程式赛车动力系统匹配设计

贺焕利，蒲雨

（湖北汽车工业学院 汽车动力传动与电子控制湖北省重点实验室，湖北 十堰 442002）

依托湖北汽车工业学院东风HUAT车队HUATE-III电动方程赛车研发项目，在前几代电车动力系统研发技术基础之上，设计了新的赛车动力系统。对电机参数、传动比、电池组容量及电池组数等进行了匹配设计及选型；通过Optimum LAP软件和AVL cruise软件的联合仿真，仿真结果表明电动方程式赛车的动力性、经济性及耐久性测试误差在5%之内，验证了所设计的动力系统能够满足赛车性能需求。

FSE赛车；动力匹配；仿真分析；Optimum LAP软件

引言

中国大学生电动方程式汽车大赛（FSEC）要求参赛车队设计制造的赛车在加速、制动、操控性、稳定及耐久性能等方面都有优异表现。电动式方程式赛车包括动力系统、悬架系统、转向系统、车架车身、制动系统及安全系统等。其中，动力系统作为方程式赛车设计的关键技术之一，是取得优异动态项目成绩的保证。因此，研究电动方程式赛车动力系统，优化结构及性能参数，对提升我校大学生方程式赛车的整体性能水平具有重要的指导意义。

1 系统总体设计方案

FSE电动方程式赛车动力系统匹配设计是在我校上一代电动方程式赛车（HUATE-III）动力系统的基础上进行的，整车设计性能要求在满足中国大学生方程式赛车大赛规则规定的前提下，设计开发出一套响应快，效率高、性能稳定，并且有足够的强度和刚度的轻量化动力系统。在设计时首先要对规则进行分析，提炼整车设计规则限制的关键点。方程式赛车总体设计方案如图1所示。

图1 总体设计方案

2 赛车动力系统参数设计

2.1 电机功率匹配

1）FSE电动方程式赛车根据大赛规则驱动电机功率不超过80kW。由汽车功率平衡公式，得赛车以最高车速行驶的所需功率Pmax1、75m直线加速所需Pmax2，综合计算取驱动电机峰值功率。

式中：是传动效率；m是整车质量（kg）；g是重力加速度（m/s2）；f是滚动阻力系数；umax是最高车速（km/h）；CD是空气阻力系数；A是赛车迎风面积（m2）。um是平均速度（km/h）；dt是平均加速度（m/s2）；Δs是平均距离（m）；Δt是平均时间（s）；经过上述分析可得驱动电机峰值的功率为75KW。

2）确定驱动电机的扭矩和转速

驱动电机扭矩直接影响赛车的驱动力，最大转速与传动比影响最高车速，所以其上所有因素都是影响驱动电机选择的重要参数。

式中，Ttq是电机扭矩，P是电机功率，Ft是驱动力。经过上述计算分析，通过赛场调研及赛车属性，综合考虑成本和电机特性，最终选择德国ENSTROJ公司的Emrax228驱动电机及配套UNITEK BAMO CAR-D3控制器。

2.2 电池组匹配

2.2.1电池组能量确定

首先要考虑Emrax228驱动电机及控制器的电压等级、功率、最大电流等因素对驱动电机最佳性能发挥及对赛车动力性能的影响。其次，根据大赛规则系统电压不能超过600VDC，电池容量要支持赛车完成22km的耐久与经济性比赛，选择能量密度高，高能量和高功率。最后，为了在总容量不变的情况下降低电池组的总质量加入制动能量回收技术，其要求动力电池在高倍率部分荷电状态下（HRPSOC）有良好的循环使用次数。FSE电动方程式赛车电池组的总能量是根据制动能量回收收益和驾驶里程消耗的和共同确定的。根据功率平衡方程，计算赛车所需能量：

式中：P是电机功率（kW）；W是电池组总能量（kW·h）；b=0.96是电池效率，c=0.95是电池放电深度；m=0.98是电机效率；1是赛车运行时间（s）。计算得W=5.65 kW·h。

2.2.2电池组容量确定

电池容量确定需要考虑两方面的因素：电池组能量和电机最大电流。根据电池组总能量确定单体电池所需容量，由公式：

式中，C是电池容量（Ah）；计算得C=17.2Ah。

根据电机最大电流确定电池单体容量：

式中，Imax是电机最大电流为340A，电池单体最大放电倍率为20。计算得C=17Ah。

最终在对比了市场及各院校使用的动力电池参数，我们选择长春浩泰科技有限公司的EP-LF 70212222SP钴酸锂单体电池。

2.2.3确定电池数目

赛车运行过程中，电池组的最大功率应对应于电机的峰值功率，并且考虑电机控制器的效率与其它电气功率损耗在内。单个电池的最大功率为：

式中，E为单体电池电动势；Rint为等效内阻。所以电池组的数目为：

式中，k为电动机控制器的工作效率为0.95，计算得n=104。对于普通家用电动车来说为了保护电池组的使用寿命，放电深度一般不会高于90%。对于大学生电动方程式汽车大赛来说，比赛中电池组在必要的时候可以使放电深度达到100%，对电池组损害很大，而且在此状态下电池组放电内阻增大，此时电池组整体放电效率和输出功率都将下降，影响最终车速，不利于总成绩的提高。因此设计放电深度为95%，即：

式中，W为驱动电池实际能量。单体电池数量：

式中，W单体电池能量。计算得：n=88。综合分析得：

2.2.4电池组电压

根据大赛规则规定最高限制电压为600VDC，驱动电机最高可承受450V（驱动电机80kW），承受最大电流340A，采用单体电池串并联相结合的成组方式，驱动电池成组104S2P，如表1所示。

表1 电池组参数

2.3 传动比的选择

匹配纯电动赛车传动比需要考虑以下因素：1）满足赛车最大加速度与最高车速要求；2）使电机转速在电机运行高效区间内，提高赛车效率；3）确保赛车有适当的滑移率，充分发挥赛车动力性能。

2.3.1最小传动比的确定

最小传动比决定了FSE电动方程式赛车的最高车速，保证车辆以最高车速在平直公路上行驶与滚动阻力及空气阻力达到平衡，根据行驶方程：

式中，F是滚动阻力；F是空气阻力；T 取电机最大扭矩；𝑖是赛车最小传动比；u是设计最高车速；F是加速阻力取零。计算得i=0.69。

2.3.2最大传动比的确定

1）以最大加速度确定传动比

根据驱动电机扭矩输出特性，赛车起步时车速为零，加速度最大，带入由公式（16）~（19），其中T 取电机最大扭矩，𝑖是赛车最大传动比i1，计算得i1=3.58。

2）以极限附着力确定传动比

FSE电动方程式赛车的最大地面附着力，决定了传递到车轮上的最大驱动力，通过驱动电机的峰值转矩与最大驱动力的代数关系，确定减速机构最大传动比。

式中，F2是后轮作用反力；F2静态后轴作用反力；F2动态分量；前轮距整车质心水平距离；轴距；h整车质心高度；是地面附着系数；其中电机扭矩为最大值，加速度为设计最大加速度。计算得i2=3.54。因此，

3 系统模型建立及仿真计算

3.1 Optimum Lap仿真模型建立

1）赛道模型的建立

Optimum Lap是一款基于道路仿真的软件，根据大赛竞赛手册上的赛道布置图及大赛规则，在Optimum Lap中建立上海耐久与经济性赛道，建立后的赛道长2.87km，根据理论计算的模型将各部件参数输入Optimum Lap的车辆模型中，建立需要的仿真工况并运行。Optimum LAP赛道如图2所示。Optimum Lap内置两种仿真模式：第一种是Simulate普通仿真模式；第二种Batch Run参数化仿真模式。

图2 Optimum Lap赛道

利用simulate仿真模式，计算出赛车模型在耐久性与经济性测试赛道的各项参数，利用Batch Run参数化仿真模式，设置参数化优化车辆各参数，导出Excel导入AVL Cruise建立循环工况及作为矩阵分析依据。

2）仿真及循环工况的获取

在AVL cruise中的循环工况仅适用乘用车及商用车，与大学生电动方程式大赛的耐久和经济性测试工况有很大区别，所以综合分析赛车的循环工况，在AVL cruise中以距离为基轴的循环工况模块中，设置通过Optimum LAP得到的上海赛耐久性与经济性赛道仿真参数，计算赛车完成规定历程所用时间，并且根据耗能来衡量一辆赛车的经济性。

图3 循环工况

3.2 基于AVL cruise仿真模型的建立

AVL Cruise是一款基于车辆动力系统状态进行仿真分析的软件，根据实际FSE电动方程式赛车动力系统设计，搭建动力系统模型。

图4 整车模型

首先根据设计要求进行机械连接和电气连接，由于赛车为纯电动方程赛车不考虑排放连接；其次建立整车通信，将各个关键的信号连接起来；最后根据各模块需求输入部件参数。在Cruise中建立得整车模型如图4所示。

4 仿真结果及分析

运行AVL cruise中FSE电动方程式赛车模型得到赛车在耐久与经济性测试单圈及全程的用时、扭矩区间、车速区间等参数，通过仿真可得到动力电池的能量的消耗情况、SOC状态、放电倍率区间；驱动电机扭矩及功率区间。

图5 最高车速曲线

FSE电动方程式赛车的最高车速是赛车在所有比赛项目中所需的最高车速，一般出现在75m直线加速赛的尾端或耐久赛的77m大直道上，所以在AVL cruise中建立全负荷加速工况及稳态行驶工况，仿真计算赛车以加速度为基准的最高车速124.3km/h和以驱动电机最大转速为基准的最高车速为122km/h，如图5所示。根据理论计算设计的最高车速为120km/h，仿真值与设计值的误差在5%之内，满足设计要求。

图6 时间-加速度，车速、距离曲线图

FSE电动方程式赛车的动力性仿真主要是针对75m直线加速赛时能发挥出赛车的极限性能，建立全负荷加速工况，仿真赛车从无初速度加速，如图6所示，行驶75m距离所需时间3.88s、最大加速度10.2m/s2、所需最大车速118km/h，满足要求。

5 结论

在熟悉方程式赛车的赛事要求的基础之上，依托湖北汽车工业学院东风HUAT车队HUATE-III电动方程赛车研发项目，设计了新的赛车动力系统。对电机参数、传动比、电池组容量进行了匹配设计，借助Optimum LAP软件建立了符合FSE赛车特性的动态赛道理想模型，在AVL Cruise中建立了赛车的循环工况，根据整车设计要求在AVL Cruise对驱动电机参数、动力电池匹配仿真，仿真结果显示所设计的动力系统能够满足赛车性能需求。

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Power System Matching Design of FSE Racing Car

He Huanli, Pu Yu

( HuBei Key Laboratory of Automotive Power Train and Electronic Contral HuBei University of Automotive Technology, Hubei Shiyan 442002 )

Depending on HUATE III racing car’s Research and development project of DongFeng HUAT of HuBei University of Automobile Technology, a new race car power system was designed based on the research and technology of previous generations of power systems before. The motor parameters, the transmission ratio, power battery capacity as well as battery group number were matched and selected. Simulation was done in the Optimum LAP and AVL cruise simulation software. The simulation result showed that the Dynamic Performance, the economy, the durability test error were under 5%, which proved the power system designed met the demands.

FSE racing car; power matching; simulation analysis;Optimum LAP software

A

1671-7988(2018)24-13-04

U462

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1671-7988(2018)24-13-04

U462

贺焕利（1984-），女，陕西宝鸡人，讲师，主要从事电动汽车关键技术研究。基金项目：汽车动力传动与电子控制湖北省重点实验室创新基金项目（2015XTZX0415）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.24.005