FSAE賽車動力系統(tǒng)匹配的現(xiàn)狀與發(fā)展綜述

毛鴻，寧愛林

（邵陽學(xué)院機(jī)械與能源工程學(xué)院，湖南 邵陽 422000）

前言

FSAE賽事是由SAE主辦的一項由學(xué)生參與的工程設(shè)計競賽，被認(rèn)為是世界上最大規(guī)模的大學(xué)生參與工程賽事，我國自2010年引入FSAE以來，各地區(qū)高校車隊迅猛發(fā)展，已經(jīng)成為世界舞臺上一支不可或缺的力量。通過對當(dāng)前 FSAE賽事進(jìn)行研究后可以發(fā)現(xiàn)，有關(guān)FSAE賽車的動力系統(tǒng)一支是大學(xué)生研究的重點內(nèi)容，并且優(yōu)化FSAE賽車動力系統(tǒng)，也有助于車輛新技術(shù)的推廣，具有深遠(yuǎn)影響。

1 FSAE賽車動力系統(tǒng)匹配的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 動力系統(tǒng)布置方案

FSAE賽車作為電動汽車的一種重要組成部分，其動力系統(tǒng)布置靈活多樣，因此合理的布置形式有助于進(jìn)一步前強(qiáng)化動力系統(tǒng)的優(yōu)勢。從當(dāng)前我國部分高校對FSAE賽車的研究情況來看，CQUFSE15型號的電動賽車較為常見，這種賽車采用了后輪驅(qū)動的方式，依靠單電機(jī)集中驅(qū)動、傳動系統(tǒng)采用鏈傳動與齒輪減速等方式，整個驅(qū)動系統(tǒng)由鏈傳動減速、差速器、減速箱等方面構(gòu)成，詳細(xì)資料見圖1。

考慮到車用電動機(jī)的啟動與加速性能良好，這對于FSAE賽車而言是十分有利的，并且驅(qū)動電機(jī)的最大功率超過額定功率的2.5倍，所以在FSAE賽車動力系統(tǒng)設(shè)計中不需要設(shè)置離合器。

圖1 FSAE賽車的驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 驅(qū)動電機(jī)的變速選擇

考慮到FSAE賽車的特殊性，所以為了能夠讓賽車的動力系統(tǒng)符合比賽的相關(guān)要求，大部分賽車的驅(qū)動電機(jī)在變速選擇中都是由基速來確定的，包括最高轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速等，變速的比值情況決定著車輛的運輸狀態(tài)。在這種情況下，驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速越高，對電機(jī)的制作工藝要求越高，導(dǎo)致成本增加。

目前市場上的常見電動機(jī)主要分為直流電機(jī)、交流感應(yīng)電機(jī)等幾種，其中直流電機(jī)在運行過程中涉及到轉(zhuǎn)向器換向等多種要求，導(dǎo)致其整體功率效率不理想。所以針對大學(xué)生的實際情況，在一般的賽車驅(qū)動電機(jī)設(shè)置中，以滿足比賽需求即可，多數(shù)選擇的是中速電機(jī)，其轉(zhuǎn)速普遍為 8000±2000r/min。

1.3 電機(jī)控制器的選擇

一般情況下，其控制器的相關(guān)參數(shù)都有著詳細(xì)的規(guī)定，例如輸入電壓范圍為60-80DC/V、額定輸出電流為550AC/A、最大輸出功率是45kW等。所以在選擇電機(jī)控制器時，大學(xué)生在充分考慮多方面的要求后，選擇與電機(jī)配套的控制器硬件設(shè)備。

1.4 電池組

電池組作為FSAE賽車動力系統(tǒng)的主要組成部分，其性能直接決定了賽車動力系統(tǒng)的運行情況。所以在當(dāng)前賽車動力系統(tǒng)匹配設(shè)計階段，更多人都要保證電池的容量的選取需要在滿足22km續(xù)駛里程的要求下盡量小，但同時考慮電池組低SOC狀態(tài)對于車速和圈速的影響。同時，F(xiàn)SAE賽車的電池組總能量不超過8kW，這也成為當(dāng)前賽車動力系統(tǒng)匹配的重點內(nèi)容，很多大學(xué)生在設(shè)計過程中，都希望通過控制電池組電壓、成組方式等進(jìn)行有效的限制，最大程度上保證FSAE賽車的能量收益情況。

通過對當(dāng)前FSAE賽車動力系統(tǒng)設(shè)計的現(xiàn)狀進(jìn)行分析后可以發(fā)現(xiàn)，合理的賽車電池系統(tǒng)設(shè)計就需要解決電池容量不能過小，長時間的大倍率放電所造成的極化現(xiàn)象和溫度上升過快問題均對電池性能產(chǎn)生影響；同樣選取過大的電池容量會出現(xiàn)電池數(shù)目過多或者單體容量過大等狀況。同時，處于對賽車動力系統(tǒng)極限動力性的要求，這就決定了賽車電池必須要具有相對穩(wěn)定的放電倍率，所以在電池組設(shè)計中，必須要充分考慮賽車比賽的現(xiàn)狀，尋找調(diào)整方向。以電池組的電壓為例，由于FSAE賽車的行駛道路復(fù)雜程度要遠(yuǎn)高于正常的市區(qū)環(huán)境，因此不能按照傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)來限定電池容量情況，所以，更多的大學(xué)生在動力系統(tǒng)電池設(shè)計中，會根據(jù)電機(jī)控制器的工作電壓范圍來確定電池組的電壓值參數(shù)。

2 FSAE賽車動力系統(tǒng)匹配的發(fā)展研究

隨著FSAE賽事的進(jìn)一步開展，有關(guān)FSAE賽車的動力系統(tǒng)匹配問題將會得到越來越多的人關(guān)注，在這種情況下，了解FSAE賽車動力系統(tǒng)匹配的發(fā)展方向，有助于加深大學(xué)生對FSAE賽車動力系統(tǒng)的認(rèn)識。

2.1 電池系統(tǒng)發(fā)展研究

由于一整套電池系統(tǒng)的體積偏大，再加上賽車上可利用的布置空間很小，在這種情況下，為了能夠有效的解決賽車的質(zhì)心問題，需要將電池箱體分解為多個部分，通過對傳統(tǒng)的賽車電池系統(tǒng)進(jìn)行重組，來滿足FSAE賽車對動力系統(tǒng)的要求。

被拆裝的電池系統(tǒng)被分為三個部分，其中電池箱被設(shè)置在車輛的兩個側(cè)框中，均勻分布，所以能夠保證整個賽車配重的穩(wěn)定性，并且賽車的結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，能夠在比賽中占據(jù)優(yōu)勢；在 BMS箱體設(shè)計階段，充分考慮了整個賽車的外形要求與空間應(yīng)用特征，所以可以將電池改裝為字母“L”的形狀，這種設(shè)計優(yōu)化方法不僅充分滿足了賽車的造型要求，并且其配重效果更理想（見圖2）。

圖2 優(yōu)化后的賽車電池系統(tǒng)三維圖

2.2 特定功能的實現(xiàn)

根據(jù)FSAE賽事的相關(guān)要求，賽車必須要使用類似裝置內(nèi)分離或者維護(hù)插頭的電池組，所以在動力系統(tǒng)匹配發(fā)展過程中，必須要保證電池管理系統(tǒng)能夠能夠存在一個預(yù)充電回路，通過這一回路來實現(xiàn)中間回路的預(yù)充電，保證整個賽車動力系統(tǒng)的電壓水平穩(wěn)定，保證賽車的正常運行[1-2]。

根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果，在賽車動力系統(tǒng)電池特定功能實現(xiàn)過程中，將所有電池單體用維修開關(guān)進(jìn)行分分類，其單堆電池的電壓為104-106V，滿足FSAE賽事要求的120V。同時，考慮到預(yù)充電電路是給電機(jī)控制器的大電容進(jìn)行充電，因此在特定功能實現(xiàn)過程中，為了能夠保證系統(tǒng)安全，降低 B+接觸器閉合階段所產(chǎn)生的電弧放電現(xiàn)象，在系統(tǒng)優(yōu)化過程中應(yīng)該注意檢查電機(jī)控制器的直流母線電流參數(shù)，確保其能夠在有效的時間段內(nèi)輸出充電完成的信號。同時，針對賽車動力系統(tǒng)中的線路電壓控制信號，采用有效的線路電流監(jiān)控手段，等待延時，確保預(yù)充電完成信號能夠順利輸出。

3 結(jié)論

動力匹配系統(tǒng)是FSAE賽車的重要組成部分，對整個賽車的運行產(chǎn)生重要影響，因此在當(dāng)前工作中，必須要進(jìn)一步了解FSAE賽車動力系統(tǒng)匹配的相關(guān)問題，尋找一種有效的動力系統(tǒng)優(yōu)化思路，在保證賽車動力系統(tǒng)運行水平的基礎(chǔ)上，持續(xù)改進(jìn)系統(tǒng)功能及其運行策略，最終進(jìn)一步提高FSAE賽車動力系統(tǒng)運行能力，滿足未來FSAE賽事比賽要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 喬曉亮,王棟,張永輝.基于內(nèi)部進(jìn)化算法的FSAE賽車速比的優(yōu)化評價[J].陜西理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2017，33(05):47-51.

[2] 陳斌,倪彰,冷冬等.FSAE賽車轉(zhuǎn)向梯形優(yōu)化設(shè)計及虛擬樣機(jī)仿真分析[J].江蘇理工學(xué)院學(xué)報,2016,22(02):37-40.