基于大學生電動方程式賽車（FSEC）的電氣系統分析和研究

張政 任峰 李龍海

摘 要：本文以長春師范大學新時代電動方程式E11為研究對象，根據競賽動態項目的要求，對汽車的電氣系統進行了分析，并簡要介紹了電動方程式的基本原理;介紹電機選擇，電機驅動和控制，動力電池選擇和電池管理系統以及CAN總線的通訊。一輛大學生電動方程式賽車的動力性，平順性，操作穩定性都與電器系統有密不可分的關系，這也是在比賽中取得良好成績的關鍵，因此對電動方程式賽車電氣系統的分析尤為重要。

關鍵詞：方程式;電氣系統;動力電池;CAN通訊

1 大學生電動方程式賽車原理和構造

純電動方程式賽車以大學生方程式油車為基礎，其結構與燃油車相似，如轉向系統，制動系統，傳動系統，懸架和車架車殼等。區別在于純電動車輛從發動機驅動變為電動機驅動，且能量源變成了鋰電池。簡單來說，純電動方程式賽車的動力由鋰電池提供，驅動電機轉動，再通過變速器和差速器傳遞到輪邊，實線車輛跑動。如圖1電動汽車原理圖所示。

如圖1所示，在車載能量系統中，電池組用于提供能量來源，蓄電池充電系統是將220V交流電轉換為直流電輸入到電池組中。能量管理系統又稱為電池管理系統，簡稱BMS，起到監控各單體鋰電芯工作情況的作用。驅動電機系統是電動方程式賽車最重要的部分，包括VCU，IPO，電機和機械傳動裝置以及車輪。其中通過踏板傳輸的電信號到整車控制器中，再又電機控制器接受，來控制電機的轉速的正反轉，進而傳遞到輪邊來適應不同的工況。輔助系統包括輔助動力源，空調和功率控制單元。

大學生電動方程式驅動系統布局的差異對賽車各方面的性能產生了重要影響。其中，我們采用了如圖2所示結構布置，傳動系統大大得到了簡化，電機直接與輸出軸相連，電機扭矩與轉速直接通過半軸傳遞到車輪，提高傳動效率，缺點是要求電機保證控制精度和良好的響應速度。

2 電動機及其參數選擇

電動機的功能是將電池產生的電能轉化為機械能，然后再通過半軸傳遞到車輪邊緣。汽車在實際行駛時，常伴隨著啟動，制動，怠速，停車等復雜工況出現，在不同的工況下對電機性能的要求也有不同，在汽車加速行駛時，要求電機具有高轉速達到車速提高的目的，當汽車上坡時，又希望電機具有低扭矩從而完成順利上坡的目的。因此，比較目前市場上常用的驅動電機類型，我們最終選擇了永磁同步電機。

具體參數如表1所示。

根據仿真結果顯示電機額定功率為72kw 最大功率為85kw，額定轉矩為250Nm最大轉矩為280Nm。

3 電池及參數選擇

影響電動汽車的因素有很多，例如功率密度，能量密度，成本和使用壽命等，能量密度決定汽車行駛里程，功率密度決定汽車動力性能，因此選擇適合的動力電池非常重要。動力電池的選擇優先考慮到驅動電機的匹配性，對比市場上的各種動力電池，我們最后選擇了單體電壓為3.7V，單體容量為12Ah，最大放電功率為12C的三元鋰電池，整車電池組由單體電芯通過串并聯組合，經過計算最后選用170塊電芯共5個電池組，2并85串，總能量為7.548kwh。動力電池內部如圖2所示。

4 安全回路

電器方面根據比賽規則要求，XLA-和XLA+分別接高壓正負極，kl.31b和kl.15為供電電源正負極，E和KE均接地，并且要單獨分別接地。MHS，MLS和OKHS為OUTPUT端口，輸出監測信號。連接所使用的線束，連接器和保護外殼均為專門設計并且有防水保護。如圖3所示。

5 整車控制系統與低壓輔助系統

它的主要功能是根據整車運行狀況，并根據駕駛員意圖和賽車行駛狀態計算目標轉矩，保證賽車的動力性和行駛穩定性;同時監測整車各部分的運行狀態，使得當賽車出現故障時能及時采取響應措施，保護車手及賽車的安全。在整車上采用2路CAN網絡進行通信。CAN1連接到車輛控制器和電機控制器，CAN2用于傳感器數據傳輸。如圖4所示。

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