南通理工學(xué)院FSEC方程式賽車動力參數(shù)設(shè)計

牛華　黃愛維

（南通理工學(xué)院，江蘇　南通　226002）

南通理工學(xué)院FSEC方程式賽車動力參數(shù)設(shè)計

牛華黃愛維

（南通理工學(xué)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(jī)類型及電池類型的優(yōu)缺點，提出了南通理工學(xué)院FSEC實驗賽車的動力性的性能指標(biāo)及相關(guān)參數(shù)。根據(jù)性能指標(biāo)及相關(guān)參數(shù)對賽車動力系統(tǒng)中的電機(jī)及動力電池參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計。

FSEC；電動汽車；參數(shù)設(shè)計

1　賽事介紹

FSAE（電車組比賽為FSEC）賽事是一項面向大學(xué)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(shè)計、建造、測試和準(zhǔn)備賽車，并且該賽車要在加速、操控、制動和安全性達(dá)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(tǒng)汽車相比，基本可以達(dá)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(zhuǎn)化效率可達(dá)到傳統(tǒng)汽車的兩倍以上。

2.3純電動汽車在結(jié)構(gòu)布置上更加靈活。

3　電機(jī)類型的選擇

3.1驅(qū)動系統(tǒng)布置形式。

電動汽車目前常見的驅(qū)動系統(tǒng)布置形式主要有以下幾種：

3.1.1單電動機(jī)通過減速器和差速器與車輪相連，要求電機(jī)有較大的轉(zhuǎn)速、扭矩調(diào)節(jié)范圍。

3.1.2電機(jī)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(jī)及其控制器實現(xiàn)變速和差速。這種形式要求電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)較大的轉(zhuǎn)速和扭矩調(diào)節(jié)范圍，并且還具有較快響應(yīng)速度與較高的控制精度。

3.1.3輪轂電機(jī)布置形式。將電機(jī)安裝在車輪里，實現(xiàn)多輪驅(qū)動。這樣的布置形式有更加靈活的車身設(shè)計，可較容易實現(xiàn)更大的車輪轉(zhuǎn)向角度，為停車提供更多便利。

輪轂電機(jī)一般有內(nèi)傳子和外轉(zhuǎn)子兩種形式。內(nèi)傳子設(shè)計的為高速電機(jī)，扭矩較小，需要通過減速器驅(qū)動車輪。這種設(shè)計實現(xiàn)較小的電機(jī)體積和質(zhì)量，但由于需要行星齒輪減速器，故電機(jī)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，控制難度較大。外轉(zhuǎn)子設(shè)計的輪轂電機(jī)為低速電機(jī)，扭矩較大，可以直接驅(qū)動車輪，結(jié)構(gòu)簡單，控制難度低。

3.2驅(qū)動電機(jī)類型

目前電動汽車上普遍采用的驅(qū)動電動機(jī)有直流電動機(jī)、交流電動機(jī)、永磁電動機(jī)和開關(guān)磁阻電動機(jī)。

3.2.1直流電動機(jī)

直流電動機(jī)在轉(zhuǎn)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(shù)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(jī)

交流電動機(jī)與直流電動機(jī)相比，其結(jié)構(gòu)簡單、體積小重量輕、控制效率高、便于維護(hù)、易于冷卻、壽命長，目前在較大功率的電動汽車上應(yīng)用廣泛。

3.2.3永磁電動機(jī)

該電機(jī)啟動轉(zhuǎn)矩大、運行電流沖擊小，在各項性能上都優(yōu)于直流電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)，但控制系統(tǒng)復(fù)雜，成本偏高。

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

3.2.4開關(guān)磁阻

開關(guān)磁阻電機(jī)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(diào)速性能較好并且可靠性高、成本低。但是改型電機(jī)能量密度較低，運轉(zhuǎn)時噪音和震動較大，且控制系統(tǒng)設(shè)計要求較高，目前還難形成大規(guī)模的應(yīng)用。

考慮到該車為實驗賽車，為提高本校教師和學(xué)生對新技術(shù)的探索與研究，故該實驗賽車將采用兩后輪輪轂電機(jī)驅(qū)動布置形式。輪轂電機(jī)選用外轉(zhuǎn)子式永磁無刷同步輪轂電機(jī)。

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(yōu)勢：比功率高；比能量高；自放電率??；循環(huán)壽命長；無記憶效應(yīng)；對環(huán)境無污染。

通過對比各類型電池性能特點，并對比市場產(chǎn)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(zhì)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(lián)方式組合而成，

5　賽車尺寸參數(shù)

根據(jù)賽事規(guī)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(tài)比賽中賽車能完成約22km的耐久測試。 參考國內(nèi)其他高校賽車的整車參數(shù)就、性能指標(biāo)及各項目成績統(tǒng)計，初步確定與動力性相關(guān)的性能指標(biāo)及整車參數(shù)：（1）最高車速為90 km/h；（2）0～80 km/h加速時間應(yīng)在5秒之內(nèi)；（3）0～75m加速時間應(yīng)在5秒之內(nèi)；（4）充電時間應(yīng)在6小時之內(nèi)；（5）續(xù)駛里程應(yīng)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(shù)為0.6；（9）迎風(fēng)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(shù)為1.3；（13）滾動阻力系數(shù)為0.015。

6　電機(jī)、電池參數(shù)計算

電動機(jī)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(guī)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(jī)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(nèi)由0km/h加速到80km/h，此時電機(jī)工作在峰值功率狀態(tài)，加速階段電機(jī)平均功率為：

6.3平均功率的計算

參考其他車隊經(jīng)驗數(shù)據(jù)，耐久賽全程平均時速在55km/h左右，平均功率在15kW左右?？紤]到該賽車為實驗用車，因此設(shè)定平均時速50 km/h，平均功率在15kW左右。為了保持電機(jī)在絕大部分時間內(nèi)工作在高效率區(qū)，該實驗賽車的單電機(jī)電機(jī)額定功率可選在15Kw～20 kW之間。

6.4轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩

根據(jù)平均車速與最高車速確定該實驗賽車電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速、最高轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩。

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

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

6.5電池組參數(shù)

電機(jī)額定電壓為144V，電池組的電壓必須等于或略高于電機(jī)額定電壓，因此，電池組串聯(lián)電池數(shù)目為：

電池組功率應(yīng)不低于電機(jī)的最大功率，從而保證加速能力，此時所需電池總數(shù)目為：

根據(jù)續(xù)航里程及全程平均功率估算，此時所需電池總數(shù)目為：

為便于制成電池組，故電池總數(shù)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(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2013，03.

［2］吳發(fā)亮，陽林.FSE賽車動力性參數(shù)的設(shè)計仿真與驗證［J］.公路與汽運，2013，03.

［3］孟慶華，許進(jìn)，王東峰.輪轂電機(jī)驅(qū)動型電動汽車動力系統(tǒng)研究［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2013，08.

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U469.696；U469.72

A

1003-5168（2015）-12-0145-2