FSEC 電動(dòng)方程式賽車動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)＊

郭笑，趙勇，吳凡玲，楊亞東，金晨，沈輝

（揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 江蘇 揚(yáng)州 225008）

1 FSEC 電動(dòng)賽車動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)意義

本課題通過創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)的方式和不斷優(yōu)化結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)，設(shè)計(jì)出更適合FSEC 電動(dòng)賽車的動(dòng)力系統(tǒng)，可以為后續(xù)的FSEC 電動(dòng)賽車動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究提供參考。

2 FSEC 電動(dòng)賽車動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 FSEC 電動(dòng)賽車動(dòng)力系統(tǒng)各部件布置方式

本系統(tǒng)采用的輪轂電機(jī)為內(nèi)轉(zhuǎn)子減速型，內(nèi)轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)將電動(dòng)賽車的動(dòng)力、減速、傳動(dòng)、制動(dòng)裝置整合到輪轂內(nèi)，從而使FSEC 電動(dòng)賽車的機(jī)械部分大為簡化，進(jìn)而提高傳動(dòng)系統(tǒng)部件傳動(dòng)效率，最終使FSEC 電動(dòng)賽車能更好的適應(yīng)比賽賽道。

2.2 FSEC 賽車性能指標(biāo)參數(shù)

2.2.1 電機(jī)參數(shù)計(jì)算

（1）滿足FSEC 電動(dòng)賽車最高車速所需的輪轂電機(jī)的峰值功率通過：

式中Pvm[1]處于84 km/h 時(shí)的功率，Vm最高車速，μ 機(jī)械傳動(dòng)效率，m 整車質(zhì)量，g 重力加速度，fa賽車滾動(dòng)阻力系數(shù)，Ca空氣阻力系數(shù)，S 迎風(fēng)面積。

（2）選擇內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)參數(shù)如表1。

2.2.2 電池組參數(shù)

電機(jī)額定功率為220 V，電池組采用多節(jié)18650 鋰電池串聯(lián)方式，18650 電池電源電壓為3.7 V，所以，所需串聯(lián)電池?cái)?shù)量為節(jié)，兩組60 個(gè)18650 鋰電池串聯(lián)后，再并聯(lián)的電池包。FESC 賽車在只受空氣阻力和行駛阻力的條件下所消耗的能量[2]為：

表1 輪轂電機(jī)參數(shù)表

2.3 雙輪轂電機(jī)電動(dòng)賽車控制策略

FSEC 電動(dòng)賽車使用的輪轂電機(jī)，可直接對(duì)差速進(jìn)行控制來實(shí)現(xiàn)過彎。Ackerman 函數(shù)計(jì)算模型如圖1 所示。

圖1 Ackerman 函數(shù)計(jì)算模型

O 為瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)中心；a 和? 分別是左前輪轉(zhuǎn)角和右前輪轉(zhuǎn)角；t 為轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角；L 為前后軸軸距；B 為后輪距；R 為后軸中心點(diǎn)處的轉(zhuǎn)向半徑；v 為后軸中心點(diǎn)的速度；R1、R2分別為左前輪和右前輪速度。

利用速度瞬心法可得到：

利用輪轂電機(jī)實(shí)現(xiàn)電子差速控制轉(zhuǎn)向流程。

圖2 電子差速控制轉(zhuǎn)向流程圖

3 FSEC 電動(dòng)賽車整車性能仿真

3.1 全負(fù)荷加速性能仿真結(jié)果及分析

啟動(dòng)時(shí)加速度最大，為8.4 m/S2，之后加速度基本保持不變（稍有降低）直至速度達(dá)到45 km/h 左右時(shí)，加速度開始隨速度的增大而線性降低，直至速度達(dá)到峰值。

圖3 FESE 賽車加速度與速度的變化關(guān)系圖

3.2 賽道工況仿真結(jié)果及分析

在行駛過程中，賽車的速度在28.0km/h-84.0km/h 范圍內(nèi)波動(dòng)，峰值速度可達(dá)到84.0 km/h。加速度轉(zhuǎn)變效率高，最高可達(dá)6.3 m/S2，可快速實(shí)現(xiàn)加減速。

圖4 FSEC 賽車在賽道工況下的加速度、速度與里程的關(guān)系圖

3.3 循環(huán)工況仿真結(jié)果及分析

啟動(dòng)時(shí)加速度最大，達(dá)到8.5 m/S2左右，因此速率增大幅度大，在1.3 s 左右后，速度達(dá)到40 km/h 左右，加速開始隨時(shí)間推移而線性降低，導(dǎo)致速度的增大幅度有所減緩。當(dāng)加速度降至3.2 m/S2左右時(shí)，保持著較低的加速度直至速度達(dá)到峰值。

圖5 FESC 賽車在循環(huán)工況下的加速度、速率和里程隨時(shí)間的變化關(guān)系圖

4 小結(jié)

本課題依托揚(yáng)州大學(xué)FSEC 電動(dòng)賽車研發(fā)項(xiàng)目，設(shè)計(jì)了雙輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力系統(tǒng)制策略，最后在Cruise 軟件中進(jìn)行仿真。結(jié)果表明，賽車啟動(dòng)加速度為8.4 m/S2，最高車速達(dá)到84 km/h，證明所設(shè)計(jì)動(dòng)力系統(tǒng)能滿足賽車性能需求。