FSEC赛车电驱动系统设计与分析

中国大学生电动方程式汽车大赛是一项由高等院校汽车工程或汽车相关专业在校学生组队参加的汽车设计与制造比赛。各参赛车队按照赛事规则和赛车制造标准，在一年时间内自行设计和制造出一辆在加速、制动及操控性等方面具有优异表现的小型单人座休闲赛车，能够成功完成全部或部分赛事环节比赛。

FSEC不仅有望跻身国际大学生方程式汽车大赛前列，更将成为电动汽车工程师培育的摇篮，向中国汽车工业及电动汽车产业输送新鲜血液。

1　FSEC赛车驱动结构及控制

1.1　FSEC动力规则描述

FSEC的设计必须满足大赛规则要：第一，赛车必须在加速、制动和操控性方面具有非常优异的表现，同时又必须具有足够的耐久性，能够顺利完成规则要求下的项目；第二，动力蓄电池最大输出功率不超过80kW；第三，在任意两个电气连接处的最大允许电压为600V，电机控制器内部的低能量控制信号为620V；第四，可用任何类型的电池作为能量存储装置，熔盐电池和热电池除外，禁止使用燃料电池；第五，每个电池组最高电压不超过120V，最大能量不超过6MJ（1.67kW·h）。

1.2　FSEC动力系统布置方式

目前在纯电动汽车上驱动方式主要有三种：第一，传统机械布置方式，即直接将燃油车发动机改成电机，其他系统不改变，总布置方式与传统燃油车基本无差别；第二，轮毂电机驱动方式，即驱动电机直接与车轮连接，不用通过驱动桥来传递动力，赛车车速由电机转速直接控制，同时差速功能也是通个两个独立的轮毂电机转速差来实现；第三，电动机-驱动桥驱动方式，即电动机与主减速连接，通过驱动半轴驱动车轮，这种驱动方式要求驱动电机有较要有自适应控制、变结构控制、模糊控制、线性控制、矢量控制技术、变压变频控制以及神经网络控制等。

FSEC赛车控制的主要目标是改善赛车性能、延长续航里程、保护电机以及储能装置。在控制系统设计时，考虑延长续航里程的方法主要有选用高比能的电池、减少车辆在行驶过程中各环节中的能量损耗、减少车辆辅助系统的能耗以及在设计赛车的过程当中尽量降低G、CD以及f等。

根据中国大学生方程式参赛情况，目前是采用UNITEK BOMOCAR D3电机控制器。该控制器采用双向能量调理驱动和制动，基于所安装的参数设置，适用于EC同步电动机、交流异步电动机或直流电动机，如图1所示。

图1　UNITEK BOMOCAR D3控制器

2　FSEC动力系统参数

FSEC的动力性能在很大程度上决定了整车性能。驱动系统的动力输出特性与车辆动力性能直接相关，驱动系统的动力输出应该满足车辆动力性要求。在设计电动赛车驱动系统时，为了使得电动赛车达到要求，首先必须要建立电动赛车力学模型，对电动赛车行驶过程中的力与功率平衡进行分析，得到电动赛车所求的特场性。

根据整车的性能来确定本次设计的动力性能。为了使得赛车具有良好的加速性能、能耗经济型等，考虑动力性能指标的同时必须要提高整车性能，在保证各系统强度和性能要求情况下，尽可能地减小赛车整备质量。本文所设计的电动方程式赛车重量假设为m：行驶系统、转向系统、传动

（江苏理工学院，常州 213000）

摘　要：中国大学生电动方程式汽车大赛（FSEC）是一项由高等院校汽车工程或汽车相关专业在校学生组队参加的汽车设计与制造比赛。基于此，以大学生方程式赛事为背景，根据2018年中国大学生电动方程式大赛规则，应用汽车理论、电动汽车电驱动系统等相关知识，对FSEC电驱动系统进行设计和分析，其中包括电机选择、储能装置选择、电机控制策略、传动系统设计以及整车参数及性能指标确定，最后进行仿真分析。

关键词：FSEC 电驱动系统 控制策略

特点，确定赛车的动力性能指标如表1所示。

表1　FSEC 赛车动力性能指标

项目

参数最高车速/（km/h ）≥1100～80km/h 加速时间/s ≤4最大续航里程/km

25

2.1　电机功率计算

电机功率计算方法如式（1）、式（2）所示。

2

max max max

360021.15

d v t v C Av P mgf η=+（） （1）p F f w

=

（2）

式中，P vmax 为最高车速下的峰值功率；V max 为赛车最高车速；m 为整车质量；g 为重力加速度，取9.8m/s²；f 为滚动阻力系数；F p 为滚动阻力；W 为车辆重力；A 为赛车迎风面积；C d 为空气阻力系数，取0.25；ηt 为机械传动效率，取0.9。

赛车动力性指标如下：最高车速为110km/h ，整备质量为289kg ，赛车迎风面积参约为1.33m 2；滚动阻力与车速有关，车速与滚动阻力关系曲线可得在车速为110km/h 条件下，滚动阻力约为60N ；根据公式可以得到滚动阻力f=0.021，可得电机功率不小于30.22kW 。2.2　电机的选择

电动汽车对驱动电机要求非常高，要求低速高扭矩、高速恒定功率并且需要宽调速，能够实现能量回收，同时具备效率高、控制精度准确、动态响应较快以及具有较高可靠性和安全性的特点。

综合考虑电机质量、价格以及功率等因素，选择ENSTROJ EMRAX 228 Medium Voltage 电机，属于永磁体直流无刷轴向磁通电机，电机自带减速器，并且性能稳定，在体积较小质量较轻时，能得到较高扭矩和动力输出。2.3　电池组选择与参数计算

锂电池寿更加长、稳定性高。目前选择赛事中运用广泛的18650电池。其单体电池电压为标称3.7V ，充电截止电压为4.2V ，容量为2600mAh 。

比赛的赛道全长25km ，据测定平均时速为50～60km/h ，最高时速近110km/h 。电机的额定电压为310V ，计算电池组容量的时候应该满足“电池组电压≥赛车额定电压”的要求。18650电池的单节额定电压为3.7V ，所需数量计算方法如式（3）所示。

310==843.7V V n V V

=

总单节 （3）

为了达到电机电压要求，即电池供电电压要达到310V ，需要84单节电池并联才能满足电机额定电压要求。

2560/h 0.4171500e s km t V km h s

=

=

=≈ （4）W e =P e t =30.22kW ×0.417h=12.6kW=4.54×106J

（5）

根据能量守恒定律，方程式赛车在行驶过程中驱动电机锁消耗能量由电池组提供，所以可以参考驱动电机所消耗的能量计算电池组的容量，如式（6）、式（7）所示。

W b ·εsoc =W e （6）1000

b b C U W ×=

（7）

式中，W b 为电池组能量；εsoc 为电池组有效放电容量系数，取0.70；W e 为赛车驱动系统消耗的能量；U b 为单节电池电压，取3.7V ；C 为电池组电池容量。

满足续航里程为25km 时，电池组最小C=23.125Ah 。根据计算可以得到，既要满足电机额定电压要求又要满足续航里程的功率要求时，应采用的方案是84单节18650电池串联，并将2组84单节电池并联，由168单节18650电池构成电池组作为FSEC 赛车的储能和供能装置。

3　传动系统设计3.1　差速器

本次设计的FSEC 电驱动系统不采用轮毂电机，所以需要采用差速器控制来获得不同的轮边速度，使得赛车在转弯等特殊路况下可以自动适应速度变化，平稳运行。本次设计的传动系统选择德雷克斯差速器，结构如图2所示。

图2　德雷克斯差速器结构图

3.2　传动设计过程

赛车在行驶的过程中，通过一定的传动比来满足不同最大主减速比为3.8，使用Optimum Lap