基于大學(xué)生電動(dòng)方程式賽車（FSEC）的電氣系統(tǒng)分析和研究

張政 任峰 李龍海

摘 要：本文以長(zhǎng)春師范大學(xué)新時(shí)代電動(dòng)方程式E11為研究對(duì)象，根據(jù)競(jìng)賽動(dòng)態(tài)項(xiàng)目的要求，對(duì)汽車的電氣系統(tǒng)進(jìn)行了分析，并簡(jiǎn)要介紹了電動(dòng)方程式的基本原理;介紹電機(jī)選擇，電機(jī)驅(qū)動(dòng)和控制，動(dòng)力電池選擇和電池管理系統(tǒng)以及CAN總線的通訊。一輛大學(xué)生電動(dòng)方程式賽車的動(dòng)力性，平順性，操作穩(wěn)定性都與電器系統(tǒng)有密不可分的關(guān)系，這也是在比賽中取得良好成績(jī)的關(guān)鍵，因此對(duì)電動(dòng)方程式賽車電氣系統(tǒng)的分析尤為重要。

關(guān)鍵詞：方程式;電氣系統(tǒng);動(dòng)力電池;CAN通訊

1 大學(xué)生電動(dòng)方程式賽車原理和構(gòu)造

純電動(dòng)方程式賽車以大學(xué)生方程式油車為基礎(chǔ)，其結(jié)構(gòu)與燃油車相似，如轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，制動(dòng)系統(tǒng)，傳動(dòng)系統(tǒng)，懸架和車架車殼等。區(qū)別在于純電動(dòng)車輛從發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)變?yōu)殡妱?dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，且能量源變成了鋰電池。簡(jiǎn)單來說，純電動(dòng)方程式賽車的動(dòng)力由鋰電池提供，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，再通過變速器和差速器傳遞到輪邊，實(shí)線車輛跑動(dòng)。如圖1電動(dòng)汽車原理圖所示。

如圖1所示，在車載能量系統(tǒng)中，電池組用于提供能量來源，蓄電池充電系統(tǒng)是將220V交流電轉(zhuǎn)換為直流電輸入到電池組中。能量管理系統(tǒng)又稱為電池管理系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱BMS，起到監(jiān)控各單體鋰電芯工作情況的作用。驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)是電動(dòng)方程式賽車最重要的部分，包括VCU，IPO，電機(jī)和機(jī)械傳動(dòng)裝置以及車輪。其中通過踏板傳輸?shù)碾娦盘?hào)到整車控制器中，再又電機(jī)控制器接受，來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速的正反轉(zhuǎn)，進(jìn)而傳遞到輪邊來適應(yīng)不同的工況。輔助系統(tǒng)包括輔助動(dòng)力源，空調(diào)和功率控制單元。

大學(xué)生電動(dòng)方程式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)布局的差異對(duì)賽車各方面的性能產(chǎn)生了重要影響。其中，我們采用了如圖2所示結(jié)構(gòu)布置，傳動(dòng)系統(tǒng)大大得到了簡(jiǎn)化，電機(jī)直接與輸出軸相連，電機(jī)扭矩與轉(zhuǎn)速直接通過半軸傳遞到車輪，提高傳動(dòng)效率，缺點(diǎn)是要求電機(jī)保證控制精度和良好的響應(yīng)速度。

2 電動(dòng)機(jī)及其參數(shù)選擇

電動(dòng)機(jī)的功能是將電池產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，然后再通過半軸傳遞到車輪邊緣。汽車在實(shí)際行駛時(shí)，常伴隨著啟動(dòng)，制動(dòng)，怠速，停車等復(fù)雜工況出現(xiàn)，在不同的工況下對(duì)電機(jī)性能的要求也有不同，在汽車加速行駛時(shí)，要求電機(jī)具有高轉(zhuǎn)速達(dá)到車速提高的目的，當(dāng)汽車上坡時(shí)，又希望電機(jī)具有低扭矩從而完成順利上坡的目的。因此，比較目前市場(chǎng)上常用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)類型，我們最終選擇了永磁同步電機(jī)。

具體參數(shù)如表1所示。

根據(jù)仿真結(jié)果顯示電機(jī)額定功率為72kw 最大功率為85kw，額定轉(zhuǎn)矩為250Nm最大轉(zhuǎn)矩為280Nm。

3 電池及參數(shù)選擇

影響電動(dòng)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(dòng)力性能，因此選擇適合的動(dòng)力電池非常重要。動(dòng)力電池的選擇優(yōu)先考慮到驅(qū)動(dòng)電機(jī)的匹配性，對(duì)比市場(chǎng)上的各種動(dòng)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(lián)組合，經(jīng)過計(jì)算最后選用170塊電芯共5個(gè)電池組，2并85串，總能量為7.548kwh。動(dòng)力電池內(nèi)部如圖2所示。

4 安全回路

電器方面根據(jù)比賽規(guī)則要求，XLA-和XLA+分別接高壓正負(fù)極，kl.31b和kl.15為供電電源正負(fù)極，E和KE均接地，并且要單獨(dú)分別接地。MHS，MLS和OKHS為OUTPUT端口，輸出監(jiān)測(cè)信號(hào)。連接所使用的線束，連接器和保護(hù)外殼均為專門設(shè)計(jì)并且有防水保護(hù)。如圖3所示。

5 整車控制系統(tǒng)與低壓輔助系統(tǒng)

它的主要功能是根據(jù)整車運(yùn)行狀況，并根據(jù)駕駛員意圖和賽車行駛狀態(tài)計(jì)算目標(biāo)轉(zhuǎn)矩，保證賽車的動(dòng)力性和行駛穩(wěn)定性;同時(shí)監(jiān)測(cè)整車各部分的運(yùn)行狀態(tài)，使得當(dāng)賽車出現(xiàn)故障時(shí)能及時(shí)采取響應(yīng)措施，保護(hù)車手及賽車的安全。在整車上采用2路CAN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。CAN1連接到車輛控制器和電機(jī)控制器，CAN2用于傳感器數(shù)據(jù)傳輸。如圖4所示。

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