FSEC 電動方程式賽車動力系統設計＊

郭笑，趙勇，吳凡玲，楊亞東，金晨，沈輝

（揚州大學機械工程學院， 江蘇 揚州 225008）

1 FSEC 電動賽車動力系統設計意義

本課題通過創新驅動的方式和不斷優化結構及性能參數，設計出更適合FSEC 電動賽車的動力系統，可以為后續的FSEC 電動賽車動力系統設計與研究提供參考。

2 FSEC 電動賽車動力系統結構

2.1 FSEC 電動賽車動力系統各部件布置方式

本系統采用的輪轂電機為內轉子減速型，內轉子輪轂電機將電動賽車的動力、減速、傳動、制動裝置整合到輪轂內，從而使FSEC 電動賽車的機械部分大為簡化，進而提高傳動系統部件傳動效率，最終使FSEC 電動賽車能更好的適應比賽賽道。

2.2 FSEC 賽車性能指標參數

2.2.1 電機參數計算

（1）滿足FSEC 電動賽車最高車速所需的輪轂電機的峰值功率通過：

式中Pvm[1]處于84 km/h 時的功率，Vm最高車速，μ 機械傳動效率，m 整車質量，g 重力加速度，fa賽車滾動阻力系數，Ca空氣阻力系數，S 迎風面積。

（2）選擇內轉子電機參數如表1。

2.2.2 電池組參數

電機額定功率為220 V，電池組采用多節18650 鋰電池串聯方式，18650 電池電源電壓為3.7 V，所以，所需串聯電池數量為節，兩組60 個18650 鋰電池串聯后，再并聯的電池包。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 輪轂電機參數表

2.3 雙輪轂電機電動賽車控制策略

FSEC 電動賽車使用的輪轂電機，可直接對差速進行控制來實現過彎。Ackerman 函數計算模型如圖1 所示。

圖1 Ackerman 函數計算模型

O 為瞬時轉動中心；a 和? 分別是左前輪轉角和右前輪轉角；t 為轉向輪轉角；L 為前后軸軸距；B 為后輪距；R 為后軸中心點處的轉向半徑；v 為后軸中心點的速度；R1、R2分別為左前輪和右前輪速度。

利用速度瞬心法可得到：

利用輪轂電機實現電子差速控制轉向流程。

圖2 電子差速控制轉向流程圖

3 FSEC 電動賽車整車性能仿真

3.1 全負荷加速性能仿真結果及分析

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

圖3 FESE 賽車加速度與速度的變化關系圖

3.2 賽道工況仿真結果及分析

在行駛過程中，賽車的速度在28.0km/h-84.0km/h 范圍內波動，峰值速度可達到84.0 km/h。加速度轉變效率高，最高可達6.3 m/S2，可快速實現加減速。

圖4 FSEC 賽車在賽道工況下的加速度、速度與里程的關系圖

3.3 循環工況仿真結果及分析

啟動時加速度最大，達到8.5 m/S2左右，因此速率增大幅度大，在1.3 s 左右后，速度達到40 km/h 左右，加速開始隨時間推移而線性降低，導致速度的增大幅度有所減緩。當加速度降至3.2 m/S2左右時，保持著較低的加速度直至速度達到峰值。

圖5 FESC 賽車在循環工況下的加速度、速率和里程隨時間的變化關系圖

4 小結

本課題依托揚州大學FSEC 電動賽車研發項目，設計了雙輪轂電機驅動的動力系統制策略，最后在Cruise 軟件中進行仿真。結果表明，賽車啟動加速度為8.4 m/S2，最高車速達到84 km/h，證明所設計動力系統能滿足賽車性能需求。