FSAE赛车动力系统匹配的现状与发展综述

毛鸿，宁爱林

（邵阳学院机械与能源工程学院，湖南 邵阳 422000）

前言

FSAE赛事是由SAE主办的一项由学生参与的工程设计竞赛，被认为是世界上最大规模的大学生参与工程赛事，我国自2010年引入FSAE以来，各地区高校车队迅猛发展，已经成为世界舞台上一支不可或缺的力量。通过对当前 FSAE赛事进行研究后可以发现，有关FSAE赛车的动力系统一支是大学生研究的重点内容，并且优化FSAE赛车动力系统，也有助于车辆新技术的推广，具有深远影响。

1 FSAE赛车动力系统匹配的发展现状

1.1 动力系统布置方案

FSAE赛车作为电动汽车的一种重要组成部分，其动力系统布置灵活多样，因此合理的布置形式有助于进一步前强化动力系统的优势。从当前我国部分高校对FSAE赛车的研究情况来看，CQUFSE15型号的电动赛车较为常见，这种赛车采用了后轮驱动的方式，依靠单电机集中驱动、传动系统采用链传动与齿轮减速等方式，整个驱动系统由链传动减速、差速器、减速箱等方面构成，详细资料见图1。

考虑到车用电动机的启动与加速性能良好，这对于FSAE赛车而言是十分有利的，并且驱动电机的最大功率超过额定功率的2.5倍，所以在FSAE赛车动力系统设计中不需要设置离合器。

图1 FSAE赛车的驱动系统结构图

1.2 驱动电机的变速选择

考虑到FSAE赛车的特殊性，所以为了能够让赛车的动力系统符合比赛的相关要求，大部分赛车的驱动电机在变速选择中都是由基速来确定的，包括最高转速与额定转速等，变速的比值情况决定着车辆的运输状态。在这种情况下，驱动电机的转速越高，对电机的制作工艺要求越高，导致成本增加。

目前市场上的常见电动机主要分为直流电机、交流感应电机等几种，其中直流电机在运行过程中涉及到转向器换向等多种要求，导致其整体功率效率不理想。所以针对大学生的实际情况，在一般的赛车驱动电机设置中，以满足比赛需求即可，多数选择的是中速电机，其转速普遍为 8000±2000r/min。

1.3 电机控制器的选择

一般情况下，其控制器的相关参数都有着详细的规定，例如输入电压范围为60-80DC/V、额定输出电流为550AC/A、最大输出功率是45kW等。所以在选择电机控制器时，大学生在充分考虑多方面的要求后，选择与电机配套的控制器硬件设备。

1.4 电池组

电池组作为FSAE赛车动力系统的主要组成部分，其性能直接决定了赛车动力系统的运行情况。所以在当前赛车动力系统匹配设计阶段，更多人都要保证电池的容量的选取需要在满足22km续驶里程的要求下尽量小，但同时考虑电池组低SOC状态对于车速和圈速的影响。同时，FSAE赛车的电池组总能量不超过8kW，这也成为当前赛车动力系统匹配的重点内容，很多大学生在设计过程中，都希望通过控制电池组电压、成组方式等进行有效的限制，最大程度上保证FSAE赛车的能量收益情况。

通过对当前FSAE赛车动力系统设计的现状进行分析后可以发现，合理的赛车电池系统设计就需要解决电池容量不能过小，长时间的大倍率放电所造成的极化现象和温度上升过快问题均对电池性能产生影响；同样选取过大的电池容量会出现电池数目过多或者单体容量过大等状况。同时，处于对赛车动力系统极限动力性的要求，这就决定了赛车电池必须要具有相对稳定的放电倍率，所以在电池组设计中，必须要充分考虑赛车比赛的现状，寻找调整方向。以电池组的电压为例，由于FSAE赛车的行驶道路复杂程度要远高于正常的市区环境，因此不能按照传统的标准来限定电池容量情况，所以，更多的大学生在动力系统电池设计中，会根据电机控制器的工作电压范围来确定电池组的电压值参数。

2 FSAE赛车动力系统匹配的发展研究

随着FSAE赛事的进一步开展，有关FSAE赛车的动力系统匹配问题将会得到越来越多的人关注，在这种情况下，了解FSAE赛车动力系统匹配的发展方向，有助于加深大学生对FSAE赛车动力系统的认识。

2.1 电池系统发展研究

由于一整套电池系统的体积偏大，再加上赛车上可利用的布置空间很小，在这种情况下，为了能够有效的解决赛车的质心问题，需要将电池箱体分解为多个部分，通过对传统的赛车电池系统进行重组，来满足FSAE赛车对动力系统的要求。

被拆装的电池系统被分为三个部分，其中电池箱被设置在车辆的两个侧框中，均匀分布，所以能够保证整个赛车配重的稳定性，并且赛车的结构更加稳定，能够在比赛中占据优势；在 BMS箱体设计阶段，充分考虑了整个赛车的外形要求与空间应用特征，所以可以将电池改装为字母“L”的形状，这种设计优化方法不仅充分满足了赛车的造型要求，并且其配重效果更理想（见图2）。

图2 优化后的赛车电池系统三维图

2.2 特定功能的实现

根据FSAE赛事的相关要求，赛车必须要使用类似装置内分离或者维护插头的电池组，所以在动力系统匹配发展过程中，必须要保证电池管理系统能够能够存在一个预充电回路，通过这一回路来实现中间回路的预充电，保证整个赛车动力系统的电压水平稳定，保证赛车的正常运行[1-2]。

根据相关研究结果，在赛车动力系统电池特定功能实现过程中，将所有电池单体用维修开关进行分分类，其单堆电池的电压为104-106V，满足FSAE赛事要求的120V。同时，考虑到预充电电路是给电机控制器的大电容进行充电，因此在特定功能实现过程中，为了能够保证系统安全，降低 B+接触器闭合阶段所产生的电弧放电现象，在系统优化过程中应该注意检查电机控制器的直流母线电流参数，确保其能够在有效的时间段内输出充电完成的信号。同时，针对赛车动力系统中的线路电压控制信号，采用有效的线路电流监控手段，等待延时，确保预充电完成信号能够顺利输出。

3 结论

动力匹配系统是FSAE赛车的重要组成部分，对整个赛车的运行产生重要影响，因此在当前工作中，必须要进一步了解FSAE赛车动力系统匹配的相关问题，寻找一种有效的动力系统优化思路，在保证赛车动力系统运行水平的基础上，持续改进系统功能及其运行策略，最终进一步提高FSAE赛车动力系统运行能力，满足未来FSAE赛事比赛要求。

参考文献

[1] 乔晓亮,王栋,张永辉.基于内部进化算法的FSAE赛车速比的优化评价[J].陕西理工大学学报(自然科学版),2017，33(05):47-51.

[2] 陈斌,倪彰,冷冬等.FSAE赛车转向梯形优化设计及虚拟样机仿真分析[J].江苏理工学院学报,2016,22(02):37-40.