郭忠庆;高聪聪;陈潮洲
【摘 要】电动汽车作为新能源汽车的典型代表,催生了中国大学生方程式电动赛车电动赛车运动的产生.本设计是为将要参加FSAE比赛的赛车匹配设计合适的动力系统.根据已确定电机、电池参数,利用CRUISE进行动力性的初步仿真分析.将仿真数据和理论数据做对比,证明本文的匹配设计符合要求并且是合理的. 【期刊名称】《交通节能与环保》 【年(卷),期】2019(015)004 【总页数】4页(P19-22)
【关键词】FSAE;动力匹配;CRUISE仿真;电动汽车 【作 者】郭忠庆;高聪聪;陈潮洲
【作者单位】陕西职业技术学院,陕西 西安 710100;陕西职业技术学院,陕西 西安 710100;交通运输部公路科学研究院,北京 100088 【正文语种】中 文 【中图分类】U461.2 0 引言
随着能源危机的加深和环境问题的日益凸显，使用新能源代替石化能源在汽车中的应用已成为不可逆转的趋势。纯电动汽车将取代燃油车和混合动力汽车，将会成为下一代的主流。电动汽车作为新能源汽车的典型代表，催生了FSAE电动赛车的产
生。FSAE电动赛车采用驱动电机和动力电池作为动力来源，配套电机控制器可使驱动电机进行无级传动，无需传统汽车的变速箱装置，大大简化了汽车传动结构[1]。驱动电机传动效率较高，降低了能源消耗，减轻了环境污染[8]。
而电动赛车动力系统相当于传统赛车的发动机也就是赛车的动力源和心脏，如果一辆赛车没有合适且强大的心脏，那么很难在赛场中取得优秀的成绩，所以必须严格按照规则要求匹配赛车的动力系统。然后根据确定的电机、电池参数，利用CRUISE进行初步的动力性仿真分析，并综合考虑赛车相关性能，合理分析得到适合赛车最优状态的匹配结果。 1 电动赛车动力系统参数计算
电动赛车的动力系统主要包括电机、电池及传动系统，需要进行的计算参数有：电机相关参数、电池电量计算。
1.1 原车参数及FSAE电动赛车设计目标
通过对往年比赛成绩的分析，然后根据本校车队实际情况确定FSAE电动赛车的动力性能，原车参数及电动赛车设计目标如表1所示[1]。 1.2 驱动电机主要参数确定
计算电机的功率时，判断所选择电机是否能达到赛车加速性能的要求，不用考虑爬坡性能，只需根据加速性能计算出电机的最大功率，即只需计算出电机在加速度最大时和速度最高时的功率。
表1 原车参数及电动汽车设计目标Tab.1 Original vehicle parameters and electric vehicle design objectives参数名称整备质量/kg满载质量/kg轴矩/mm轴荷比迎风系数/㎡75 m加速时间/s最高车速/km·h-1参数大小288 356 1 550 0.50∶0.50 0.90 4.19 164参数名称空气阻力系数车轮半径/mm地面附着系数滚动阻力系数续驶里程/m赛车最大加速度/m·s-2参数大小0.35 255 1.40 0.05 20 287 10.00
根据汽车理论，汽车功率的平衡方程如式（1）所示[3]：
式中，Pe为汽车功率，kW；i为坡度；ηT为传动效率；G汽车重力，N；m为汽车整备质量，kg；f为滚动阻力系数，取经验值；CD为空气阻力系数，根据往年经验值；A为汽车迎风面积，m²，理论估计值；δ为旋转质量惯性系数，取经验值1.05；du/dt为车辆行驶的加速度，m/s2；ua为车辆运行的行驶速度，km/h。 电机功率计算时分加速度最大时的功率和速度最大时的功率并作一比较。
根据实际经验此处电机过载系数取2，计算结果如表2所示。
因此应该根据加速度最大时所需功率选择一款额定功率Pe=30 kW左右电机。综合考虑对比后选择电机为GLMP18L0，此电机相关参数如表3所示。 1.3 电池组选择
赛车追求的是紧凑、轻量化和易于布置，这就要求动力电池系统具有较高的功率密度和能量密度，以满足赛车动力性和续驶里程的需求，同时也要求动力系统具有较好的充放电特性，具有优良的性价比、较高的放电效率和尽可能小的体积[1]。通过参考以上的要求、去年国内车队的经验和如今电池实际情况综合考虑，多次查找资料和对比，决定选择锂离子电池作为赛车的车载动力源，最终选择中科新能源科技有限公司的镁基锂离子电池[8]。单体电池参数如表4所示。
表2 电机功率估算结果Tab.2 Motor power estimation results在加速度最大时在速度最高时滚动阻力/kW 3.122 7.908空气阻力/kW 1.107 17.983加速阻力/kW 67.579 0总功率/kW 79.567 28.688所需功率/kW 39.783 14.344 表3 GLMP18L0电机相关参数Tab.3 GLMP 18 L0 Motor Related Parameters参数名称额定功率/kW最大功率/kW额定转矩/N·m参数大小30 60 96参数名称最大转矩/N·m额定转速/r·min-1最大转速/r·min-1参数大小190 3 000 9 000
表4 单体电池参数Tab.4 Single cell parameters参数名称 参数大小 参数名称 参数大小额定电压/V额定容量/Ah最大脉动放电电流/A 3.70 23 230最大连续放电电流/A质量/kg尺寸(长×宽×高)/mm 115 0.52 180×175×8.5
对于纯电动FSAE赛车，电池作为唯一动力源。首先应该从能量角度计算电池数量。结合赛车在赛道上行驶工况数据，估算出单个循环内赛车所需的平均功率：=6.711kW。则耐久赛所需总能量为
式中，t0为一圈所需时间，估算为99.73 s；圈数，14圈。通过计算耐久赛所需能量为E净=2.603kW·h。
根据耐久赛车辆所需能量，可以算出赛车所需电池能量为[8]
式中，η0为电机效率，85%；η1为电池效率，85%；η2为放电深度，80%。这样得到E=4.503 kW·h。
为让电池能够满足赛车能量的需求。即：
式中，N为电池个数；U单体为单体电池的电压，V；C为单体电池的容量，Ah。经计算：N=52.92取N=53个。
在确定动力电池组电压时，要求电池组的电压等级与电机的额定电压相一致且满足电机电压变化的要求，并且考虑赛车上电动附件的功率消耗。所以电池组总电压应根据电机额定工作电压确定，以免因电池电压过早的欠压而影响整车的续驶里程。所以应该也从电压角度计算电池数量。
式中，U为电机所需电压，312 V；U单体为单体电池电压。
这样算下来N'=84.32，取N'=85个。可由于电池在设计是4个一组，根据实际
情况最终选取N=88个。并且这些单体的连接方式为串联形式。
由电机电压要求所选电池数量N=88个，多于从能量角度所选电池数量。由于电池选择必须同时满足电机电压和耐久赛所需能量两个要求，故而本设计选择电池数量为N=88个，连接方式为串联。 2 FSAE纯电动赛车建模及仿真 2.1 AVL-CRUISE软件介绍
AVL CRUISE软件是用于车辆系统动力学、燃油经济性以及排放性能仿真分析的高级软件。AVL CRUISE软件界面友好，用户容易理解、使用和掌握，结果分析直观，易懂。
CRUISE软件的主要特点是：
（1）模块化的设计思想使用户能够便捷地进行车辆的整车模型和动力总成系统的建模，并且能够方便地进行修改和优化。
（2）智能化的驾驶员模块，能够很好地模拟驾驶员的意图。
（3）Matlab接口模块，使得用户能够使用比较复杂的控制算法[5-7]。 2.2 FSAE纯电动赛车模型建立
FSAE纯电动赛车的建模和动力总成系统的选择，对于整车系统的建立是非常重要的。FSAE纯电动赛车的运行性能主要由动力总成系统来决定。电动汽车动力总成系统的组成部分主要包括电池、电机、主减速器、差速器以及车轮。本文所设计的FSAE纯电动赛车模型和动力总成系统如图1所示。
图1 FSAE纯电动赛车模型和动力总成系统Fig.1 FSAE pure electric racing model and powertrain
根据设计设计的FSAE纯电动赛车模型在CRUSE软件里搭建相应的赛车模型。CRUISE系统自带汽车上所有零部件的模块。例如整车、发动机、离合器、变速箱、分动器、主减速器、差速器、制动器、轮胎等模型。建模时只需将原型车上对应的
部件拖入建模窗口。每个部件均有动力输入、输出接口。按照电池、电机，然后到轮胎的动力传输路线依次连接。并添加驾驶室模块以对车辆进行控制。即可得到赛车总成仿真模型。如图2所示。需要注意的是：轮胎、制动器等部件在初始时刻的位置是默认为“左前：front left”，在建模时需要根据实际情况分配好其左前、左后、右前、右后的位置。
图2 CRUISE赛车总成仿真模型Fig.2 Simulation Model of Cruise Racing Assembly 2.2.1 整车参数
整车参数包括整车尺寸、重量、迎风面积、迎风阻力系数、质心高度和轮胎的滚动阻力系数等等。在CRUISE软件中，只需双击整车图标，就可将此部件参数对应输入。其他模块定义参数方法类似。 2.2.2 建立系统的物理连接和信号连接
系统的物理连接比较简单，只需将CRUISE模型中的各个模块根据之前设计汽车配置方案和部件连接关系将各个模型连在一起就可以了。但是信号连接比较难处理。在仿真过程中，整车模型各模块之间是利用信号进行通讯。故而信号连接是汽车建模过程中比较关键同时也是难度比较大的地方。要想正确建立汽车各子模型之间的信号连接关系，必须对汽车系统内部各部件之间的连接、控制关系以及信息传递关系，有深刻的理解。 2.3 仿真结果分析
根据FSAE纯电动赛车仿真的要求，选择和编辑相应的任务及工况，设置合适的仿真精度进行仿真计算。
1）在任务Full Load Acceleration中仿真赛车75 m的最大加速能力。 2）在任务Cycle Run中仿真，利用仿真数据结果计算电池电量的消耗。 3）运行CRUISE，得到仿真结果如下所述[4]：
（1）加速性能
根据CRUISE软件SAM Folder图表报告，可以得到仿真之后赛车加速度随时间变化曲线如图3。
同时还仿真了在全负荷加速过程中，加速度、速度和行驶距离随时间变化关系图。如图4所示。将这三个参数放在一个坐标下看着更清楚、更直观。
图3 75 m全负荷加速度随时间变化曲线Fig.3 75m Full Load Acceleration with Time Curve
图4 加速度、速度和行驶距离随时间变化关系Fig.4 Acceleration，speed and travel distance change with time
这两幅图很直观地反映赛车加速性能。与本设计的目标值差别不大，从图中看到最大加速度9.1 m/s2左右，这样和目标参数10.0 m/s2的误差不到10%。 再者根据CRUISE软件result报告，可以得到75m加速时间的准确值，即为4.37 s，而理论计算值为4.19 s。这样和本设计理论值误差不到5%。 （2）能量仿真
在Cycle Run中建立任务，并将赛道工况数据添加进去，进行工况仿真，利用仿真跑完工况一圈所消耗的能量来估算本校赛车耐久赛的整体能量消耗。表5是根据Cycle Run中的相关数据得到的耐久赛能量数据，就并将其与理论计算值放在一起方便对比。
根据表5数据可知，虽然存在一定误差。但是本设计所选电池总能量是7.489 kW/h，电池能量还是足够赛车使用，故而这样的误差也可以忽略掉。
表5 耐久赛能量数据Tab.5 Endurance race energy data结果误差/%平均功率/kW所需净能量/kW·h-1电池能量/kW·h-1电池能量仿真值7.928 3.075 5.319电池能量计算值6.711 2.603 4.503 18.120 4 结论
通过分析去年纯电动赛车的比赛结果，制定出电动赛车的动力性指标。然后根据所制定的FSAE电动赛车动力性指标计算出电机功率，并经过查询并与电机厂家联系最终选择适合赛车动力性、经济型和轻量型的电机—GLMP18L0。
然后根据赛道的工况图和相关数据，并进行分析和计算，然后选择3.7 V镁基锂88个单体串联的动力电池。
最后在CRUISE平台上进行FSAE赛车相关性能仿真，仿真的最大加速度为9.1 m/s2，75m加速时间为4.37 s，电池所需能量为5.32 kW/h，虽然和设计的目标参数有一定的误差，但这些误差不会对赛车的性能有大的影响。反而这些仿真结果对本设计很有帮助，同时也肯定了之前匹配设计的正确性。
【相关文献】
[1]李理光．中国大学生方程式汽车大赛规则[S]．中国汽车工程学会，2013．
[2]袁苑，钱立军，许宏云．基于CRUISE纯电动客车参数匹配与仿真分析[J]．汽车新能源，2012． [3]余志生．汽车理论[M]．北京：机械工业出版社，2009．
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[8]陈全世，朱家琏，田光宇．先进电动汽车技术第二版[M]．化学工业出版社，2007．
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