FSE電動方程式賽車動力系統(tǒng)匹配設(shè)計

賀煥利，蒲雨

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FSE電動方程式賽車動力系統(tǒng)匹配設(shè)計

賀煥利，蒲雨

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 汽車動力傳動與電子控制湖北省重點實驗室，湖北 十堰 442002）

依托湖北汽車工業(yè)學(xué)院東風(fēng)HUAT車隊HUATE-III電動方程賽車研發(fā)項目，在前幾代電車動力系統(tǒng)研發(fā)技術(shù)基礎(chǔ)之上，設(shè)計了新的賽車動力系統(tǒng)。對電機參數(shù)、傳動比、電池組容量及電池組數(shù)等進行了匹配設(shè)計及選型；通過Optimum LAP軟件和AVL cruise軟件的聯(lián)合仿真，仿真結(jié)果表明電動方程式賽車的動力性、經(jīng)濟性及耐久性測試誤差在5%之內(nèi)，驗證了所設(shè)計的動力系統(tǒng)能夠滿足賽車性能需求。

FSE賽車；動力匹配；仿真分析；Optimum LAP軟件

引言

中國大學(xué)生電動方程式汽車大賽（FSEC）要求參賽車隊設(shè)計制造的賽車在加速、制動、操控性、穩(wěn)定及耐久性能等方面都有優(yōu)異表現(xiàn)。電動式方程式賽車包括動力系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、車架車身、制動系統(tǒng)及安全系統(tǒng)等。其中，動力系統(tǒng)作為方程式賽車設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一，是取得優(yōu)異動態(tài)項目成績的保證。因此，研究電動方程式賽車動力系統(tǒng)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)，對提升我校大學(xué)生方程式賽車的整體性能水平具有重要的指導(dǎo)意義。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

FSE電動方程式賽車動力系統(tǒng)匹配設(shè)計是在我校上一代電動方程式賽車（HUATE-III）動力系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行的，整車設(shè)計性能要求在滿足中國大學(xué)生方程式賽車大賽規(guī)則規(guī)定的前提下，設(shè)計開發(fā)出一套響應(yīng)快，效率高、性能穩(wěn)定，并且有足夠的強度和剛度的輕量化動力系統(tǒng)。在設(shè)計時首先要對規(guī)則進行分析，提煉整車設(shè)計規(guī)則限制的關(guān)鍵點。方程式賽車總體設(shè)計方案如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計方案

2 賽車動力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計

2.1 電機功率匹配

1）FSE電動方程式賽車根據(jù)大賽規(guī)則驅(qū)動電機功率不超過80kW。由汽車功率平衡公式，得賽車以最高車速行駛的所需功率Pmax1、75m直線加速所需Pmax2，綜合計算取驅(qū)動電機峰值功率。

式中：是傳動效率；m是整車質(zhì)量（kg）；g是重力加速度（m/s2）；f是滾動阻力系數(shù)；umax是最高車速（km/h）；CD是空氣阻力系數(shù)；A是賽車迎風(fēng)面積（m2）。um是平均速度（km/h）；dt是平均加速度（m/s2）；Δs是平均距離（m）；Δt是平均時間（s）；經(jīng)過上述分析可得驅(qū)動電機峰值的功率為75KW。

2）確定驅(qū)動電機的扭矩和轉(zhuǎn)速

驅(qū)動電機扭矩直接影響賽車的驅(qū)動力，最大轉(zhuǎn)速與傳動比影響最高車速，所以其上所有因素都是影響驅(qū)動電機選擇的重要參數(shù)。

式中，Ttq是電機扭矩，P是電機功率，F(xiàn)t是驅(qū)動力。經(jīng)過上述計算分析，通過賽場調(diào)研及賽車屬性，綜合考慮成本和電機特性，最終選擇德國ENSTROJ公司的Emrax228驅(qū)動電機及配套UNITEK BAMO CAR-D3控制器。

2.2 電池組匹配

2.2.1電池組能量確定

首先要考慮Emrax228驅(qū)動電機及控制器的電壓等級、功率、最大電流等因素對驅(qū)動電機最佳性能發(fā)揮及對賽車動力性能的影響。其次，根據(jù)大賽規(guī)則系統(tǒng)電壓不能超過600VDC，電池容量要支持賽車完成22km的耐久與經(jīng)濟性比賽，選擇能量密度高，高能量和高功率。最后，為了在總?cè)萘坎蛔兊那闆r下降低電池組的總質(zhì)量加入制動能量回收技術(shù)，其要求動力電池在高倍率部分荷電狀態(tài)下（HRPSOC）有良好的循環(huán)使用次數(shù)。FSE電動方程式賽車電池組的總能量是根據(jù)制動能量回收收益和駕駛里程消耗的和共同確定的。根據(jù)功率平衡方程，計算賽車所需能量：

式中：P是電機功率（kW）；W是電池組總能量（kW·h）；b=0.96是電池效率，c=0.95是電池放電深度；m=0.98是電機效率；1是賽車運行時間（s）。計算得W=5.65 kW·h。

2.2.2電池組容量確定

電池容量確定需要考慮兩方面的因素：電池組能量和電機最大電流。根據(jù)電池組總能量確定單體電池所需容量，由公式：

式中，C是電池容量（Ah）；計算得C=17.2Ah。

根據(jù)電機最大電流確定電池單體容量：

式中，Imax是電機最大電流為340A，電池單體最大放電倍率為20。計算得C=17Ah。

最終在對比了市場及各院校使用的動力電池參數(shù)，我們選擇長春浩泰科技有限公司的EP-LF 70212222SP鈷酸鋰單體電池。

2.2.3確定電池數(shù)目

賽車運行過程中，電池組的最大功率應(yīng)對應(yīng)于電機的峰值功率，并且考慮電機控制器的效率與其它電氣功率損耗在內(nèi)。單個電池的最大功率為：

式中，E為單體電池電動勢；Rint為等效內(nèi)阻。所以電池組的數(shù)目為：

式中，k為電動機控制器的工作效率為0.95，計算得n=104。對于普通家用電動車來說為了保護電池組的使用壽命，放電深度一般不會高于90%。對于大學(xué)生電動方程式汽車大賽來說，比賽中電池組在必要的時候可以使放電深度達到100%，對電池組損害很大，而且在此狀態(tài)下電池組放電內(nèi)阻增大，此時電池組整體放電效率和輸出功率都將下降，影響最終車速，不利于總成績的提高。因此設(shè)計放電深度為95%，即：

式中，W為驅(qū)動電池實際能量。單體電池數(shù)量：

式中，W單體電池能量。計算得：n=88。綜合分析得：

2.2.4電池組電壓

根據(jù)大賽規(guī)則規(guī)定最高限制電壓為600VDC，驅(qū)動電機最高可承受450V（驅(qū)動電機80kW），承受最大電流340A，采用單體電池串并聯(lián)相結(jié)合的成組方式，驅(qū)動電池成組104S2P，如表1所示。

表1 電池組參數(shù)

2.3 傳動比的選擇

匹配純電動賽車傳動比需要考慮以下因素：1）滿足賽車最大加速度與最高車速要求；2）使電機轉(zhuǎn)速在電機運行高效區(qū)間內(nèi)，提高賽車效率；3）確保賽車有適當(dāng)?shù)幕坡?，充分發(fā)揮賽車動力性能。

2.3.1最小傳動比的確定

最小傳動比決定了FSE電動方程式賽車的最高車速，保證車輛以最高車速在平直公路上行駛與滾動阻力及空氣阻力達到平衡，根據(jù)行駛方程：

式中，F是滾動阻力；F是空氣阻力；T 取電機最大扭矩；𝑖是賽車最小傳動比；u是設(shè)計最高車速；F是加速阻力取零。計算得i=0.69。

2.3.2最大傳動比的確定

1）以最大加速度確定傳動比

根據(jù)驅(qū)動電機扭矩輸出特性，賽車起步時車速為零，加速度最大，帶入由公式（16）~（19），其中T 取電機最大扭矩，𝑖是賽車最大傳動比i1，計算得i1=3.58。

2）以極限附著力確定傳動比

FSE電動方程式賽車的最大地面附著力，決定了傳遞到車輪上的最大驅(qū)動力，通過驅(qū)動電機的峰值轉(zhuǎn)矩與最大驅(qū)動力的代數(shù)關(guān)系，確定減速機構(gòu)最大傳動比。

式中，F2是后輪作用反力；F2靜態(tài)后軸作用反力；F2動態(tài)分量；前輪距整車質(zhì)心水平距離；軸距；h整車質(zhì)心高度；是地面附著系數(shù)；其中電機扭矩為最大值，加速度為設(shè)計最大加速度。計算得i2=3.54。因此，

3 系統(tǒng)模型建立及仿真計算

3.1 Optimum Lap仿真模型建立

1）賽道模型的建立

Optimum Lap是一款基于道路仿真的軟件，根據(jù)大賽競賽手冊上的賽道布置圖及大賽規(guī)則，在Optimum Lap中建立上海耐久與經(jīng)濟性賽道，建立后的賽道長2.87km，根據(jù)理論計算的模型將各部件參數(shù)輸入Optimum Lap的車輛模型中，建立需要的仿真工況并運行。Optimum LAP賽道如圖2所示。Optimum Lap內(nèi)置兩種仿真模式：第一種是Simulate普通仿真模式；第二種Batch Run參數(shù)化仿真模式。

圖2 Optimum Lap賽道

利用simulate仿真模式，計算出賽車模型在耐久性與經(jīng)濟性測試賽道的各項參數(shù)，利用Batch Run參數(shù)化仿真模式，設(shè)置參數(shù)化優(yōu)化車輛各參數(shù)，導(dǎo)出Excel導(dǎo)入AVL Cruise建立循環(huán)工況及作為矩陣分析依據(jù)。

2）仿真及循環(huán)工況的獲取

在AVL cruise中的循環(huán)工況僅適用乘用車及商用車，與大學(xué)生電動方程式大賽的耐久和經(jīng)濟性測試工況有很大區(qū)別，所以綜合分析賽車的循環(huán)工況，在AVL cruise中以距離為基軸的循環(huán)工況模塊中，設(shè)置通過Optimum LAP得到的上海賽耐久性與經(jīng)濟性賽道仿真參數(shù)，計算賽車完成規(guī)定歷程所用時間，并且根據(jù)耗能來衡量一輛賽車的經(jīng)濟性。

圖3 循環(huán)工況

3.2 基于AVL cruise仿真模型的建立

AVL Cruise是一款基于車輛動力系統(tǒng)狀態(tài)進行仿真分析的軟件，根據(jù)實際FSE電動方程式賽車動力系統(tǒng)設(shè)計，搭建動力系統(tǒng)模型。

圖4 整車模型

首先根據(jù)設(shè)計要求進行機械連接和電氣連接，由于賽車為純電動方程賽車不考慮排放連接；其次建立整車通信，將各個關(guān)鍵的信號連接起來；最后根據(jù)各模塊需求輸入部件參數(shù)。在Cruise中建立得整車模型如圖4所示。

4 仿真結(jié)果及分析

運行AVL cruise中FSE電動方程式賽車模型得到賽車在耐久與經(jīng)濟性測試單圈及全程的用時、扭矩區(qū)間、車速區(qū)間等參數(shù)，通過仿真可得到動力電池的能量的消耗情況、SOC狀態(tài)、放電倍率區(qū)間；驅(qū)動電機扭矩及功率區(qū)間。

圖5 最高車速曲線

FSE電動方程式賽車的最高車速是賽車在所有比賽項目中所需的最高車速，一般出現(xiàn)在75m直線加速賽的尾端或耐久賽的77m大直道上，所以在AVL cruise中建立全負(fù)荷加速工況及穩(wěn)態(tài)行駛工況，仿真計算賽車以加速度為基準(zhǔn)的最高車速124.3km/h和以驅(qū)動電機最大轉(zhuǎn)速為基準(zhǔn)的最高車速為122km/h，如圖5所示。根據(jù)理論計算設(shè)計的最高車速為120km/h，仿真值與設(shè)計值的誤差在5%之內(nèi)，滿足設(shè)計要求。

圖6 時間-加速度，車速、距離曲線圖

FSE電動方程式賽車的動力性仿真主要是針對75m直線加速賽時能發(fā)揮出賽車的極限性能，建立全負(fù)荷加速工況，仿真賽車從無初速度加速，如圖6所示，行駛75m距離所需時間3.88s、最大加速度10.2m/s2、所需最大車速118km/h，滿足要求。

5 結(jié)論

在熟悉方程式賽車的賽事要求的基礎(chǔ)之上，依托湖北汽車工業(yè)學(xué)院東風(fēng)HUAT車隊HUATE-III電動方程賽車研發(fā)項目，設(shè)計了新的賽車動力系統(tǒng)。對電機參數(shù)、傳動比、電池組容量進行了匹配設(shè)計，借助Optimum LAP軟件建立了符合FSE賽車特性的動態(tài)賽道理想模型，在AVL Cruise中建立了賽車的循環(huán)工況，根據(jù)整車設(shè)計要求在AVL Cruise對驅(qū)動電機參數(shù)、動力電池匹配仿真，仿真結(jié)果顯示所設(shè)計的動力系統(tǒng)能夠滿足賽車性能需求。

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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

A

1671-7988(2018)24-13-04

U462

賀煥利（1984-），女，陜西寶雞人，講師，主要從事電動汽車關(guān)鍵技術(shù)研究。基金項目：汽車動力傳動與電子控制湖北省重點實驗室創(chuàng)新基金項目（2015XTZX0415）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.24.005