四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)方程式賽車的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

朱小春、鄧詩(shī)猛、李浩然

（深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 518055）

1 引言

中國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽（簡(jiǎn)稱“中國(guó)FSC”）是FSAE 國(guó)際大學(xué)生方程式汽車大賽的分支之一，是一項(xiàng)由高等院校汽車工程或者汽車相關(guān)專業(yè)在校學(xué)生組隊(duì)參加的汽車設(shè)計(jì)與制造比賽。各參賽車隊(duì)按照賽事規(guī)則和賽車制造標(biāo)準(zhǔn)，在1年的時(shí)間內(nèi)自行設(shè)計(jì)和制造出一輛在加速、制動(dòng)和操控性等方面具有優(yōu)異表現(xiàn)的小型單座休閑賽車，并且能夠成功完成全部或部分賽事環(huán)節(jié)的比賽。賽事分為靜態(tài)項(xiàng)目和動(dòng)態(tài)項(xiàng)目。靜態(tài)項(xiàng)目包括：成本與制造分析、營(yíng)銷報(bào)告和賽車設(shè)計(jì)。而動(dòng)態(tài)項(xiàng)目則包括：?jiǎn)雾?xiàng)性能測(cè)試（包括直線加速、“8”字繞環(huán)和高速避障）和良好的賽道耐久性（包括耐久比賽和效率測(cè)試）。

電動(dòng)賽車是以車載電源為動(dòng)力，用電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪行駛，符合大學(xué)生方程式賽車各項(xiàng)競(jìng)賽要求的車輛?？傮w設(shè)計(jì)涉及嵌入式系統(tǒng)、電力電子、電機(jī)控制、整車控制和通訊網(wǎng)絡(luò)等學(xué)科的技術(shù)。整車的控制策略是賽車的核心，其中整車驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)決定了整車的操控與行駛效果，能對(duì)比賽結(jié)果造成直接影響。因此，驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對(duì)賽車而言至關(guān)重要。本論文主要介紹深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院代表隊(duì)參賽作品，四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)方程式賽車的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)[1][2]。

2 四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)介紹

2.1 四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的組成

四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)方程式賽車是利用4 個(gè)獨(dú)立控制的電機(jī)，分別驅(qū)動(dòng)汽車的4 個(gè)車輪，省略了離合器、變速器及傳動(dòng)軸等傳動(dòng)環(huán)節(jié)。這種設(shè)計(jì)可使傳動(dòng)效率更高，整車重量也得到降低，更便于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化。電車驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)包括：整車控制器、輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器和動(dòng)力電池系統(tǒng)，所有電子控制單元（ECU）之間的信息交換和控制指令傳輸，均通過CAN 總線實(shí)現(xiàn)。大學(xué)生電動(dòng)方程式的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)物如圖1所示。

圖1 四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)方程式賽車驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)

2.2 整車控制器介紹

整車控制器是整車的核心控制部件，負(fù)責(zé)采集加速踏板、制動(dòng)踏板以及車輪轉(zhuǎn)速等信息。通過CAN 總線通訊網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)各個(gè)ECU之間的控制策略，使整車滿足各種車況的要求。此外，控制系統(tǒng)還需要負(fù)責(zé)儀表顯示的功能（圖2）。

2.3 輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器

輪轂電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)車輛的底盤設(shè)計(jì)思路不同于傳統(tǒng)汽車，其懸架系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)以及制動(dòng)能量回收系統(tǒng)等方面直接影響著車輛的穩(wěn)定性。業(yè)界普遍認(rèn)為，下一代電動(dòng)汽車將采用以輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛的新型結(jié)構(gòu)。輪轂電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)，也正是我校電動(dòng)方程式賽車的核心關(guān)鍵技術(shù)。

圖2 整車控制器的實(shí)物

四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)方程式賽車的2 后輪的驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用直流無(wú)刷電機(jī)，參數(shù)為額定功率10 kW、額定轉(zhuǎn)速1 200 r/min、額定電壓144.0 V 和額定扭矩95 N·m。輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制的關(guān)鍵技術(shù)包括輪轂電機(jī)大功率驅(qū)動(dòng)器件的硬件設(shè)計(jì)、直流無(wú)刷輪轂電機(jī)適用于大學(xué)生方程式汽車工況下的控制算法、驅(qū)動(dòng)控制器對(duì)于電流和轉(zhuǎn)速信號(hào)采樣的抗干擾設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)控制器集中散熱設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)控制器的電氣絕緣和隔離等方面的設(shè)計(jì)、過流過熱保護(hù)設(shè)計(jì)等。輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器左輪功率電路和右輪功率電路的PCB 布局如圖3所示。

2.4 動(dòng)力電池介紹

動(dòng)力電池系統(tǒng)的構(gòu)成為鈷酸鋰電池組、電池管理系統(tǒng)和鋁散熱板冷卻系統(tǒng)等。電池組的電芯電壓為3.7 V，電量為22 A·H，組成方式為“40串2并”，規(guī)格為148.0 V、44 A·H和6.512 kW·h。動(dòng)力電池向4 個(gè)輪轂電機(jī)供高壓電，電池管理系統(tǒng)工作電壓為12.0 V。通過外箱上的檢測(cè)口，可以檢測(cè)和監(jiān)控電池的狀態(tài)，包括充放電電流、電壓、自檢和故障診斷等。

電池管理系統(tǒng)BMS 安裝于電池箱體內(nèi)，BMS 的功能有電壓檢測(cè)、電流檢測(cè)、溫度檢測(cè)、絕緣檢測(cè)、電池狀態(tài)估算、CAN 通訊、充電均衡和遠(yuǎn)程監(jiān)控等。其中，CAN 通信功能是通過外部的高速CAN 向整車實(shí)施提供動(dòng)力電池各工作狀態(tài)及管理系統(tǒng)的狀態(tài)，并通過內(nèi)部通訊高速CAN 接收多個(gè)子模塊數(shù)據(jù)并發(fā)出控制命令。充電均衡采用被動(dòng)均衡方式，均衡電流≤100 mA，支持充電全程均衡，有效控制單聯(lián)電池組長(zhǎng)時(shí)間使用，造成單體電芯儲(chǔ)能差異擴(kuò)張離散的現(xiàn)象。遠(yuǎn)程監(jiān)控功能可以提供遠(yuǎn)程的車輛數(shù)據(jù)監(jiān)控服務(wù)，使車隊(duì)工作人員能夠?qū)崟r(shí)獲取車輛的軌跡、電機(jī)控制器數(shù)據(jù)、BMS 電池管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)和整車控制器數(shù)據(jù)等各項(xiàng)車輛參數(shù)。

圖3 輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器左輪功率電路和右輪功率電路的PCB 布局

圖4 四輪獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)賽車的線控系統(tǒng)

2.5 四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的總線通訊網(wǎng)絡(luò)

四輪獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)賽車采用線控技術(shù)，每個(gè)車輪都配備輪轂驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器。系統(tǒng)中共有5 個(gè)電子控制單元，分別是整車控制器、左前輪驅(qū)動(dòng)控制器、右前輪驅(qū)動(dòng)控制器、左后輪驅(qū)動(dòng)控制器和右后輪驅(qū)動(dòng)控制器（圖4）。這5 個(gè)電控單元之間通過CAN 總線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊，從而實(shí)現(xiàn)真正意義的線控。

四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)方程式賽車?yán)闷嘋AN 總線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)大學(xué)生電動(dòng)方程式賽車控制系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)及控制。利用CAN 總線通訊網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)有以下優(yōu)點(diǎn)。

（1）各模塊獨(dú)立控制，減小開發(fā)難度。

（2）各模塊間采用總線技術(shù)，達(dá)到數(shù)據(jù)資源共享。

（3）使整車控制策略采用高級(jí)算法成為可能。

2.6 熱流散熱技術(shù)

由于四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)方程式賽車的功率較大，必須針對(duì)大功率電子元器件研究相應(yīng)的熱流散熱技術(shù)。

通常情況下，散熱片大多由鋁合金型材制成，根據(jù)元器件大小裁切成所需的尺寸，提供自然冷卻。然而在特殊情況下，可采用散熱風(fēng)扇或者水冷卻的方式，并進(jìn)行專門的風(fēng)道熱流學(xué)設(shè)計(jì)。本驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)針對(duì)大學(xué)生方程式電車驅(qū)動(dòng)控制器的特點(diǎn)專門設(shè)計(jì)了水冷卻系統(tǒng)（圖5）。

3 結(jié)束語(yǔ)

賽事組委會(huì)對(duì)車輛設(shè)計(jì)與制造的要求非常高，參賽車輛在比賽之前還需要通過的嚴(yán)格的電池包密封檢查、絕緣檢測(cè)、車輛狀態(tài)檢測(cè)，行駛側(cè)傾檢測(cè)、噴淋防水檢測(cè)和制動(dòng)性能檢測(cè)等。

經(jīng)過2019 賽季的實(shí)踐，證明我校設(shè)計(jì)的四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)方程式賽車控制系統(tǒng)，已達(dá)到大學(xué)生電動(dòng)方程式的功能和性能要求。

圖5 水冷卻系統(tǒng)的實(shí)物圖