方程式赛车动力系统设计(本科毕业设计)

本文基于扬州大学力行车队的方程式赛车进行研究，阐述 FSAE赛车动力系统匹配现状与发展的相关问题。通过对方程式赛车的电机参数、传动比、电池组容量进行匹配设计，借以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 赛车动力系统的运行能力，使得所设计以及制造的方程式赛车能够满足FSAE赛事比赛的要求。

主要内容如下：

（1）参考对比国内高校方程式赛车电动汽车的整车布置方式，设计本文所要求设计的扬州大学电动方程式赛车的布置方式；

（2）以本校电动赛车基本参数和设计目标为基础进行动力系统参数设计，对电机、传动装置及能源系统进行结构设计和总体性能计算；

（3）使用CATIA软件进行系统建模，对电机、电池、控制器以及驱动桥的位置进行合理布置，做好动力系统的总布置图；

（4）按照设计任务书中对赛车的动力性和经济性的要求，对赛车的动力系统进行参数匹配，最终确定整车动力系统组成部分的选型。在Optimum Lap软件中建立赛道模型，通过软件分析方程式赛车的比赛工况；

（5）基于CRUISE软件进行赛车的性能仿真，对影响赛车的经济性与动力性的几个因素进行分析，验证所设计的动力系统各部分参数的准确性；

二、设计思路

图1-3 整体设计技术路线

三、设计内容

赛车的设计是从赛车的总布置开始，涉及车架、车身、底盘、传动、转动、可靠性和稳定性测试等多方面内容[13]。

纯电动赛车与传统的燃油赛车相比，由于动力源的差异，所以纯电动赛车没有发动机和油箱，代之以动力电池系统以及电机驱动系统。

控制系统车轮电机控制器驱动电机电机驱动子系统加速踏板整车控制器制动踏板传动系统车轮动力电池系统电池管理系统辅助电器子系统 FSEC纯电动方程式赛车是本着对传统车辆的加速、制动和操纵性能进行创新设计，赛车的总布置是一个穿插赛车设计始末的过程，总布置的确定对赛车的性能有着重要的影响。 三、系统布置

整个赛车的组成结构如图2-2所示，主要有驱动系统、能源系统、车架车身、底盘系统等基本结构要素。

充电接口动力电池DCDC辅助电池车载电器

图 2-2 整车部分系统布置

四、控制系统

由于FSAE赛车实质上就是一辆纯电动汽车，因此赛车的动力系统也与纯电动汽车相似，都是由电机和电机控制器组成。

一般电动汽车上中的能量流动是直接通过车载控制器进行调节，电机和车轮间则是由传动装置连接。电动方程式赛车与传统汽车类似，动力系统包括蓄电池、驱动电机、控制器、主减速器、差速器和驱动后轴。 五、驱动系统总布置

赛车动力系统总布置设计是基于整车设计技术参数，以此确立电机、电池组、控制器以及驱动桥的布置方案。方程式赛车的动力来源可以有多种选择，目前市场上纯电动汽车的动力能源一般分有蓄电池，燃料电池与超级电容。能量存储装置的重量要占到整车重量20%左右。

方程式赛车的驱动系统主要有以下几类，使用广泛的单电机集中驱动式、以及双电机驱动式和极少用于实际制作中的四电机四轮驱动式。

赛车驱动方案定为单电机集中驱动方式。单电机集中驱动具有很多优点，单电机驱动布置在实际生产装配过程中较为方便，也能够给整车底盘布置节省很大一部分空间，其次单电机在装配过程中涉及到的零件较少，所以综合考量下成本较低，最后涉及到的配套电机型号和配套控制器也容易选取。

不足之处便是对驱动电机的要求较高，不仅要具有较高的驱动转矩，还要求具有较大的后备功率，以保证赛车的启动、加速等动力性[18]。

单电机集中驱动方式是参考燃油赛车，在燃油车传动系统基本结构不变的基础上，用电机代替内燃机，其动力传递经过车载电机、减速器、差速器、后轴和两个驱动后轮。

电机变速器差速器

六、设计要求

毕业设计（论文）课题任务的内容和要求：

传统的电动式方程式赛车包括动力系统、悬架系统、转向系统、车架车身、制动系统以及安全系统。其中，动力系统在方程式赛车设计中起到关键作用，也是取得动态项目成绩的保证。研究电动方程式赛车的动力系统，优化结构及性能参数，对提升方程式赛车的整体性能水平有着重要性作用[3]。

大学生电动方程式赛车（FSEC）动力系统底盘是整车的核心总成部件，直接影响赛车的综合性能。本课题以中国大学生方程式汽车大赛规则（电动车部分）为设计原则，结合电动汽车底盘的布置方法，以本校电动赛车基本参数和设计目标为基础进行动力系统参数设计，对电机、传动装置及控制系统进行结构设计和总体性能计算；运用相关软件进行系统建模和系统仿真，并利用设计结果进行实车制作。

（1） 实习调研，资料收集，查阅相关文献，完成文献综述与实习调研报告； （2） 完成与课题相关的外文资料翻译；

（3） 熟悉FSEC底盘系统的特点，制定设计方案，完成开题报告；

（4） 根据规则，参照汽车总布置方法，确定赛车电动动力系统的主要参

数；

（5） 对动力装置进行参数化设计计算；

（6） 利用相关软件建模与仿真分析，绘制总成图； （7） 编写毕业设计说明书； （8）

附：设计车辆主要技术参数：

整车整备质量：280KG；乘员：一人（80kg最大95%的人体模板） 前后轴载荷分配系数：满载为45/55； 整车重心高度：不大于350mm；

最高速度：120km/h；加速时间（0-100km/h）：6s 电动机：按照要求自行匹配；

轮胎、轮辋型号：轮辋不小于8英寸； 赛车的轴距：至少为 1525mm（60 英寸）；

地面附着系数：1．4； 75m加速时间：<5s；

所设计的方程式赛车的动力以及经济性能的好坏取决于动力与传动系统的布置和关键部件的参数匹配设计。

扬州大学力行车队的往年FSAE方程式电动赛车在最高车速、续驶里程、75m直线加速、8字绕环等项目测试中，综合可得出动力性能指标参数如表3-1。

表3-1 性能指标

性能指标 最高车速km/h 最大加速度m/s2

参数 120 10

性能指标 75m加速时间/s 续航里程/km

参数 <4.5 >22

综合考虑之下，本文设计中选用永磁电机作为纯电动赛车的驱动电机。采用锂电池。

七、设计计算

3.3 动力系统参数设计

3.3.1 电机匹配

3.3.1.1 电机功率

赛车分别以最高车速行驶和75m直线加速状态行驶所要求的功率Pmax1，Pmax2，最终比较两个功率大小，可取得驱动电机所要达到的峰值功率P max。 3.3.1.2 电机的扭矩与转速

3.3.2 电池组匹配

总容量要能够支撑赛车跑完耐力赛全程大约22km的路程。因此在选择时，偏向于选择具有高比能量、高功率以及高安全性的电池，综合考虑之下，选择锂电池作为车载动力能源。

3.3.2.1 电池组能量 3.3.2.2 电池组容量 3.3.2.3 电池参数

3.3.3 传动比选择

设计传动比的原因：FSEC纯电动赛车在行驶中由于不可控因素会遇到行驶阻力，且行驶过程中的阻力会随车速的变化而变化，所以单靠改变电动机的输出力矩时无法满足电动汽车的行驶性能要求[20]。本文中，为了满足所设计的方程式赛车的性能要求，提高赛车整体经济性，对赛车的传动比进行设计。 3.3.3.1 最小传动比

汽车的最高车速取决于最小传动比 3.3.3.2 最大传动比确定

赛车的最大加速度取决于最大传动比，

3.3.4 驱动半轴设计计算

方程式赛车的驱动桥中半轴起到了一个动力传递的作用，即将差速器传来的动力传送给左右车轮。本文中所设计的方程式电动赛车的驱动桥与电动汽车的驱动桥类似，考虑到全浮式半轴在实际工作中的可靠性，所以最终采用全浮式半轴。

3.4 驱动电机控制器的选型

3.4.1 驱动电机转速的初步确定 3.4.2 驱动电机及控制器的确定

通过对永磁同步电机市场的调研，选择深圳大地和永磁同步电机CMLB15和配套的电机控制器AMCC42，其基本参数如表3-1所示，电机外特性曲线、效率和三维数模分别如图3-1、图3-2、图3-3、图3-4所示。

八、系统模型建立及仿真

赛车动力系统参数匹配完成后，在Optimum Lap软件中搭建赛车动力学模型和FSEC模拟赛道，分析赛车工况，优化赛车的传动比，最终提高整车的动力性和经济性。

赛车模型参数主要有五方面：整车参数，包括质量与驱动方式；空气动力学参数，包括空气阻力系数、升力系数、迎风面积和空气密度；轮胎参数，包括轮胎半径、滚动阻力系数、纵向附着系数和横向附着系数；电机参数，主要是转速—转矩的外特性参数；传动参数，包括传动比和传动效率。

结合赛车动力性和经济性指标，对赛车动力系统进行参数匹配设计，确定电机参数并进行具体选型，初定主减速器传动比，确定动力电池参数并进行电池组的设计；利用Optimum Lab赛道仿真软件，建立耐久赛道和75m直线加速赛道对赛车运行工况进行仿真，最后对传动比进行优化，为下一章节在AVL Cruise中的性能仿真奠定基础。

九、Crusie仿真

通过对FSEC纯电动赛车性能的仿真分析，验证其设计是否合理。AVL Cruise软件可在车辆开发过程中，对动力传动系统的匹配以及车辆性能进行预测。AVL Cruise软件提供了燃油汽车、纯电动汽车、混合动力汽车等建模所需要的各种组件，包含轮胎、驾驶室、发动机、电机、制动、变速器等。根据仿真需求从模型

库中拖出相应的组件，能够迅速地建立目标车型的系统框图，最后正确连接数据总线，便能够得到整车仿真模型[59]。

本文建立FSEC纯电动赛车的整车仿真模型结构如图6-1所示，利用AVL Cruise进行仿真的流程如图6-2所示。

电动汽车整车参数及技术要求车身动力电池驱动电机传动系统车轮、轮轴附件控制策略整车模型 图6-1 仿真模型结构

生成项目/方案生成车辆模型在模型中输入数据插入能量连接插入信息连接生成任务文件夹并添加任务设置计算运行计算结果分析

图6-2 仿真流程图

所需参数：整车模块参数、驱动电机、动力电池、其他模型

仿真任务：本次仿真的目的是验证赛车的动力性和经济性是否满足设计目标，在Cruise中建立以下三个计算任务[60]：

（1）满载全负荷加速模块（Full Load Acceleration），分析0~75m加速时间是否小于5s；

（2）稳态形式性能分析模块（Constant Drive），验证最高车速是否大于120km/h；

（3）循环工况（Cycle Run）模块，利用第五章在Optimum Lap中建立的模拟赛道工况数据，在Cruise中编译FSEC工况，如图6-10所示，由于单圈赛道总长1450.6m，设定循环次数为16，进行22km耐久赛的续驶里程仿真。