南通理工學院FSEC方程式賽車動力參數設計

牛華　黃愛維

（南通理工學院，江蘇　南通　226002）

南通理工學院FSEC方程式賽車動力參數設計

牛華黃愛維

（南通理工學院，江蘇南通226002）

本文通過分析、比較電動汽車各種布置形式、電機類型及電池類型的優缺點，提出了南通理工學院FSEC實驗賽車的動力性的性能指標及相關參數。根據性能指標及相關參數對賽車動力系統中的電機及動力電池參數進行了設計。

FSEC；電動汽車；參數設計

1　賽事介紹

FSAE（電車組比賽為FSEC）賽事是一項面向大學生的綜合性工程教育賽事，自1978年開辦以來，距今已有30多年時間，賽事遍及全世界15個國家。該賽事需要各高校的參賽隊在8至12個月時間設計、建造、測試和準備賽車，并且該賽車要在加速、操控、制動和安全性達到賽事要求。

迄今為止，中國FSAE賽事已成功舉辦六屆，并在2013年首次引入了純電動方程式汽車大賽（FSEC）。

2　純電動汽車的特點

2.1純電動汽車與傳統汽車相比，基本可以達到零排放，同時，噪音污染也大大降低。

2.2能源利用率較高，其能量轉化效率可達到傳統汽車的兩倍以上。

2.3純電動汽車在結構布置上更加靈活。

3　電機類型的選擇

3.1驅動系統布置形式。

電動汽車目前常見的驅動系統布置形式主要有以下幾種：

3.1.1單電動機通過減速器和差速器與車輪相連，要求電機有較大的轉速、扭矩調節范圍。

3.1.2電機安裝在輸出軸上直接與車輪連接，沒有變速器與差速器，完全由電機及其控制器實現變速和差速。這種形式要求電機能夠實現較大的轉速和扭矩調節范圍，并且還具有較快響應速度與較高的控制精度。

3.1.3輪轂電機布置形式。將電機安裝在車輪里，實現多輪驅動。這樣的布置形式有更加靈活的車身設計，可較容易實現更大的車輪轉向角度，為停車提供更多便利。

輪轂電機一般有內傳子和外轉子兩種形式。內傳子設計的為高速電機，扭矩較小，需要通過減速器驅動車輪。這種設計實現較小的電機體積和質量，但由于需要行星齒輪減速器，故電機結構較復雜，控制難度較大。外轉子設計的輪轂電機為低速電機，扭矩較大，可以直接驅動車輪，結構簡單，控制難度低。

3.2驅動電機類型

目前電動汽車上普遍采用的驅動電動機有直流電動機、交流電動機、永磁電動機和開關磁阻電動機。

3.2.1直流電動機

直流電動機在轉速、功率密度、效率等性能方面較差，并且重量和體積也較大，但因其容易控制、技術成熟、成本較低，目前仍大量用于低速、低成本的小型電動汽車上。

3.2.2交流電動機

交流電動機與直流電動機相比，其結構簡單、體積小重量輕、控制效率高、便于維護、易于冷卻、壽命長，目前在較大功率的電動汽車上應用廣泛。

3.2.3永磁電動機

該電機啟動轉矩大、運行電流沖擊小，在各項性能上都優于直流電機和感應電機，但控制系統復雜，成本偏高。

永磁電機主要分為兩大類：永磁直流無刷電機和永磁同步電機，兩者的主要區別在于定子繞組中感應出的電動勢波形不同。

3.2.4開關磁阻

開關磁阻電機啟動電流小、啟動扭矩大十分適合需要頻繁啟動或長時間低速大扭矩運行的工況。另外其調速性能較好并且可靠性高、成本低。但是改型電機能量密度較低，運轉時噪音和震動較大，且控制系統設計要求較高，目前還難形成大規模的應用。

考慮到該車為實驗賽車，為提高本校教師和學生對新技術的探索與研究，故該實驗賽車將采用兩后輪輪轂電機驅動布置形式。輪轂電機選用外轉子式永磁無刷同步輪轂電機。

4　電池類型的選擇

目前電動汽車上常見的電池有鉛酸電池、 鎳氫電池和鋰電池，其中磷酸鐵鋰電池相比其他電池在性能上有較大的優勢：比功率高；比能量高；自放電率小；循環壽命長；無記憶效應；對環境無污染。

通過對比各類型電池性能特點，并對比市場產品，最終確定該實驗賽車電池單體使用18650三元鋰電池，其單體電壓為 3.7V；單體容量為2.9Ah；單體質量約為50g，最大放電倍率 10C。整車電池組則由單體電池通過串、并聯方式組合而成，

5　賽車尺寸參數

根據賽事規則，電源最大輸出功率不得超過85kW，電源最大輸出電壓為600V，動態比賽中賽車能完成約22km的耐久測試。 參考國內其他高校賽車的整車參數就、性能指標及各項目成績統計，初步確定與動力性相關的性能指標及整車參數：（1）最高車速為90 km/h；（2）0～80 km/h加速時間應在5秒之內；（3）0～75m加速時間應在5秒之內；（4）充電時間應在6小時之內；（5）續駛里程應大于22km；（6）整車重量（含電池組、車手）約380kg；（7）軸距1530mm；（8）空氣阻力系數為0.6；（9）迎風面積為1㎡；（10）輪胎滾動半徑為0.25m；（11）傳動效率為1；（12）輪胎附著系數為1.3；（13）滾動阻力系數為0.015。

6　電機、電池參數計算

電動機的功率包括額定功率和最大功率，一般以車輛的最高行駛速度和爬坡度確定。在FSEC規則中對爬坡度沒有要求，故在這里不做考慮。

6.1最高速度工況時單電機消耗功率為：

6.2加速工況時功率消耗為：

加速工況要求車輛在5秒內由0km/h加速到80km/h，此時電機工作在峰值功率狀態，加速階段電機平均功率為：

6.3平均功率的計算

參考其他車隊經驗數據，耐久賽全程平均時速在55km/h左右，平均功率在15kW左右。考慮到該賽車為實驗用車，因此設定平均時速50 km/h，平均功率在15kW左右。為了保持電機在絕大部分時間內工作在高效率區，該實驗賽車的單電機電機額定功率可選在15Kw～20 kW之間。

6.4轉速和轉矩

根據平均車速與最高車速確定該實驗賽車電機的額定轉速、最高轉速及轉矩。

式中，T 為電機扭矩，r 為車輪半徑。由于采用直接驅動的輪轂電機，傳動比i為1。

該實驗賽車采用四輪驅動的輪轂電機方案，則單個輪轂電機的參數為：a.額定功率為8 kW左右，峰值功率為18kW左右；b.額定轉矩為142 Nm左右，峰值轉矩為430 Nm左右；c.額定轉速540 r/min左右，峰值轉速為1000 r/min左右；d.額定電壓為144V；e.電機效率為95％；f.控制器效率為95％。

6.5電池組參數

電機額定電壓為144V，電池組的電壓必須等于或略高于電機額定電壓，因此，電池組串聯電池數目為：

電池組功率應不低于電機的最大功率，從而保證加速能力，此時所需電池總數目為：

根據續航里程及全程平均功率估算，此時所需電池總數目為：

為便于制成電池組，故電池總數為720塊，形成40串，18并的電池組合。

［1］鄧仲卿，陽林.FSE電動賽車動力電池建模與仿真分析［J］.農業裝備與車輛工程，2013，03.

［2］吳發亮，陽林.FSE賽車動力性參數的設計仿真與驗證［J］.公路與汽運，2013，03.

［3］孟慶華，許進，王東峰.輪轂電機驅動型電動汽車動力系統研究［J］.農業機械學報，2013，08.

［4］谷靖，歐陽明高.輪轂電機驅動式微型電動車參數的合理選擇［J］.中國公路學報，2013，01.

U469.696；U469.72

A

1003-5168（2015）-12-0145-2