南通理工学院FSEC方程式赛车动力参数设计

牛华　黄爱维

（南通理工学院，江苏　南通　226002）

南通理工学院FSEC方程式赛车动力参数设计

牛华黄爱维

（南通理工学院，江苏南通226002）

本文通过分析、比较电动汽车各种布置形式、电机类型及电池类型的优缺点，提出了南通理工学院FSEC实验赛车的动力性的性能指标及相关参数。根据性能指标及相关参数对赛车动力系统中的电机及动力电池参数进行了设计。

FSEC；电动汽车；参数设计

1　赛事介绍

FSAE（电车组比赛为FSEC）赛事是一项面向大学生的综合性工程教育赛事，自1978年开办以来，距今已有30多年时间，赛事遍及全世界15个国家。该赛事需要各高校的参赛队在8至12个月时间设计、建造、测试和准备赛车，并且该赛车要在加速、操控、制动和安全性达到赛事要求。

迄今为止，中国FSAE赛事已成功举办六届，并在2013年首次引入了纯电动方程式汽车大赛（FSEC）。

2　纯电动汽车的特点

2.1纯电动汽车与传统汽车相比，基本可以达到零排放，同时，噪音污染也大大降低。

2.2能源利用率较高，其能量转化效率可达到传统汽车的两倍以上。

2.3纯电动汽车在结构布置上更加灵活。

3　电机类型的选择

3.1驱动系统布置形式。

电动汽车目前常见的驱动系统布置形式主要有以下几种：

3.1.1单电动机通过减速器和差速器与车轮相连，要求电机有较大的转速、扭矩调节范围。

3.1.2电机安装在输出轴上直接与车轮连接，没有变速器与差速器，完全由电机及其控制器实现变速和差速。这种形式要求电机能够实现较大的转速和扭矩调节范围，并且还具有较快响应速度与较高的控制精度。

3.1.3轮毂电机布置形式。将电机安装在车轮里，实现多轮驱动。这样的布置形式有更加灵活的车身设计，可较容易实现更大的车轮转向角度，为停车提供更多便利。

轮毂电机一般有内传子和外转子两种形式。内传子设计的为高速电机，扭矩较小，需要通过减速器驱动车轮。这种设计实现较小的电机体积和质量，但由于需要行星齿轮减速器，故电机结构较复杂，控制难度较大。外转子设计的轮毂电机为低速电机，扭矩较大，可以直接驱动车轮，结构简单，控制难度低。

3.2驱动电机类型

目前电动汽车上普遍采用的驱动电动机有直流电动机、交流电动机、永磁电动机和开关磁阻电动机。

3.2.1直流电动机

直流电动机在转速、功率密度、效率等性能方面较差，并且重量和体积也较大，但因其容易控制、技术成熟、成本较低，目前仍大量用于低速、低成本的小型电动汽车上。

3.2.2交流电动机

交流电动机与直流电动机相比，其结构简单、体积小重量轻、控制效率高、便于维护、易于冷却、寿命长，目前在较大功率的电动汽车上应用广泛。

3.2.3永磁电动机

该电机启动转矩大、运行电流冲击小，在各项性能上都优于直流电机和感应电机，但控制系统复杂，成本偏高。

永磁电机主要分为两大类：永磁直流无刷电机和永磁同步电机，两者的主要区别在于定子绕组中感应出的电动势波形不同。

3.2.4开关磁阻

开关磁阻电机启动电流小、启动扭矩大十分适合需要频繁启动或长时间低速大扭矩运行的工况。另外其调速性能较好并且可靠性高、成本低。但是改型电机能量密度较低，运转时噪音和震动较大，且控制系统设计要求较高，目前还难形成大规模的应用。

考虑到该车为实验赛车，为提高本校教师和学生对新技术的探索与研究，故该实验赛车将采用两后轮轮毂电机驱动布置形式。轮毂电机选用外转子式永磁无刷同步轮毂电机。

4　电池类型的选择

目前电动汽车上常见的电池有铅酸电池、 镍氢电池和锂电池，其中磷酸铁锂电池相比其他电池在性能上有较大的优势：比功率高；比能量高；自放电率小；循环寿命长；无记忆效应；对环境无污染。

通过对比各类型电池性能特点，并对比市场产品，最终确定该实验赛车电池单体使用18650三元锂电池，其单体电压为 3.7V；单体容量为2.9Ah；单体质量约为50g，最大放电倍率 10C。整车电池组则由单体电池通过串、并联方式组合而成，

5　赛车尺寸参数

根据赛事规则，电源最大输出功率不得超过85kW，电源最大输出电压为600V，动态比赛中赛车能完成约22km的耐久测试。 参考国内其他高校赛车的整车参数就、性能指标及各项目成绩统计，初步确定与动力性相关的性能指标及整车参数：（1）最高车速为90 km/h；（2）0～80 km/h加速时间应在5秒之内；（3）0～75m加速时间应在5秒之内；（4）充电时间应在6小时之内；（5）续驶里程应大于22km；（6）整车重量（含电池组、车手）约380kg；（7）轴距1530mm；（8）空气阻力系数为0.6；（9）迎风面积为1㎡；（10）轮胎滚动半径为0.25m；（11）传动效率为1；（12）轮胎附着系数为1.3；（13）滚动阻力系数为0.015。

6　电机、电池参数计算

电动机的功率包括额定功率和最大功率，一般以车辆的最高行驶速度和爬坡度确定。在FSEC规则中对爬坡度没有要求，故在这里不做考虑。

6.1最高速度工况时单电机消耗功率为：

6.2加速工况时功率消耗为：

加速工况要求车辆在5秒内由0km/h加速到80km/h，此时电机工作在峰值功率状态，加速阶段电机平均功率为：

6.3平均功率的计算

参考其他车队经验数据，耐久赛全程平均时速在55km/h左右，平均功率在15kW左右。考虑到该赛车为实验用车，因此设定平均时速50 km/h，平均功率在15kW左右。为了保持电机在绝大部分时间内工作在高效率区，该实验赛车的单电机电机额定功率可选在15Kw～20 kW之间。

6.4转速和转矩

根据平均车速与最高车速确定该实验赛车电机的额定转速、最高转速及转矩。

式中，T 为电机扭矩，r 为车轮半径。由于采用直接驱动的轮毂电机，传动比i为1。

该实验赛车采用四轮驱动的轮毂电机方案，则单个轮毂电机的参数为：a.额定功率为8 kW左右，峰值功率为18kW左右；b.额定转矩为142 Nm左右，峰值转矩为430 Nm左右；c.额定转速540 r/min左右，峰值转速为1000 r/min左右；d.额定电压为144V；e.电机效率为95％；f.控制器效率为95％。

6.5电池组参数

电机额定电压为144V，电池组的电压必须等于或略高于电机额定电压，因此，电池组串联电池数目为：

电池组功率应不低于电机的最大功率，从而保证加速能力，此时所需电池总数目为：

根据续航里程及全程平均功率估算，此时所需电池总数目为：

为便于制成电池组，故电池总数为720块，形成40串，18并的电池组合。

［1］邓仲卿，阳林.FSE电动赛车动力电池建模与仿真分析［J］.农业装备与车辆工程，2013，03.

［2］吴发亮，阳林.FSE赛车动力性参数的设计仿真与验证［J］.公路与汽运，2013，03.

［3］孟庆华，许进，王东峰.轮毂电机驱动型电动汽车动力系统研究［J］.农业机械学报，2013，08.

［4］谷靖，欧阳明高.轮毂电机驱动式微型电动车参数的合理选择［J］.中国公路学报，2013，01.

U469.696；U469.72

A

1003-5168（2015）-12-0145-2