FSEC 电动方程式赛车动力系统设计＊

郭笑，赵勇，吴凡玲，杨亚东，金晨，沈辉

（扬州大学机械工程学院， 江苏 扬州 225008）

1 FSEC 电动赛车动力系统设计意义

本课题通过创新驱动的方式和不断优化结构及性能参数，设计出更适合FSEC 电动赛车的动力系统，可以为后续的FSEC 电动赛车动力系统设计与研究提供参考。

2 FSEC 电动赛车动力系统结构

2.1 FSEC 电动赛车动力系统各部件布置方式

本系统采用的轮毂电机为内转子减速型，内转子轮毂电机将电动赛车的动力、减速、传动、制动装置整合到轮毂内，从而使FSEC 电动赛车的机械部分大为简化，进而提高传动系统部件传动效率，最终使FSEC 电动赛车能更好的适应比赛赛道。

2.2 FSEC 赛车性能指标参数

2.2.1 电机参数计算

（1）满足FSEC 电动赛车最高车速所需的轮毂电机的峰值功率通过：

式中Pvm[1]处于84 km/h 时的功率，Vm最高车速，μ 机械传动效率，m 整车质量，g 重力加速度，fa赛车滚动阻力系数，Ca空气阻力系数，S 迎风面积。

（2）选择内转子电机参数如表1。

2.2.2 电池组参数

电机额定功率为220 V，电池组采用多节18650 锂电池串联方式，18650 电池电源电压为3.7 V，所以，所需串联电池数量为节，两组60 个18650 锂电池串联后，再并联的电池包。FESC 赛车在只受空气阻力和行驶阻力的条件下所消耗的能量[2]为：

表1 轮毂电机参数表

2.3 双轮毂电机电动赛车控制策略

FSEC 电动赛车使用的轮毂电机，可直接对差速进行控制来实现过弯。Ackerman 函数计算模型如图1 所示。

图1 Ackerman 函数计算模型

O 为瞬时转动中心；â 和Ö 分别是左前轮转角和右前轮转角；þ 为转向轮转角；L 为前后轴轴距；B 为后轮距；R 为后轴中心点处的转向半径；v 为后轴中心点的速度；R1、R2分别为左前轮和右前轮速度。

利用速度瞬心法可得到：

利用轮毂电机实现电子差速控制转向流程。

图2 电子差速控制转向流程图

3 FSEC 电动赛车整车性能仿真

3.1 全负荷加速性能仿真结果及分析

启动时加速度最大，为8.4 m/S2，之后加速度基本保持不变（稍有降低）直至速度达到45 km/h 左右时，加速度开始随速度的增大而线性降低，直至速度达到峰值。

图3 FESE 赛车加速度与速度的变化关系图

3.2 赛道工况仿真结果及分析

在行驶过程中，赛车的速度在28.0km/h-84.0km/h 范围内波动，峰值速度可达到84.0 km/h。加速度转变效率高，最高可达6.3 m/S2，可快速实现加减速。

图4 FSEC 赛车在赛道工况下的加速度、速度与里程的关系图

3.3 循环工况仿真结果及分析

启动时加速度最大，达到8.5 m/S2左右，因此速率增大幅度大，在1.3 s 左右后，速度达到40 km/h 左右，加速开始随时间推移而线性降低，导致速度的增大幅度有所减缓。当加速度降至3.2 m/S2左右时，保持着较低的加速度直至速度达到峰值。

图5 FESC 赛车在循环工况下的加速度、速率和里程随时间的变化关系图

4 小结

本课题依托扬州大学FSEC 电动赛车研发项目，设计了双轮毂电机驱动的动力系统制策略，最后在Cruise 软件中进行仿真。结果表明，赛车启动加速度为8.4 m/S2，最高车速达到84 km/h，证明所设计动力系统能满足赛车性能需求。