田哲文，袁曉東，劉易斯，劉翔，彭熠（武漢理工大學(xué)　汽車工程學(xué)院，武漢430070）

電動(dòng)方程式賽車傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真

田哲文，袁曉東，劉易斯，劉翔，彭熠
（武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院，武漢430070）

將電動(dòng)方程式賽車作為研究對(duì)象，根據(jù)整車性能要求，匹配出該賽車的電機(jī)，電池和傳動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)，再利用AVL CRUISE軟件對(duì)賽車進(jìn)行建模和仿真分析。根據(jù)得到的仿真結(jié)果來分析電動(dòng)方程式賽車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，從而驗(yàn)證匹配的合理性。對(duì)賽車設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供了理論指導(dǎo)。

電動(dòng)方程式賽車；傳動(dòng)系統(tǒng)；參數(shù)匹配；CRUSIE；仿真

田哲文

畢業(yè)于武漢理工大學(xué)車輛工程專業(yè) 碩士研究生 武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院 副教授電動(dòng)汽車及汽車動(dòng)力學(xué)。

1　引言

隨著環(huán)境污染與能源匱乏這兩大難題的日益凸顯，世界各大汽車公司都在尋找一款可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)燃油車的新型汽車，而電動(dòng)汽車由于其自身無污染，低排放等優(yōu)點(diǎn)，越來越多地獲得人們的關(guān)注［1］。為了培養(yǎng)新能源汽車的人才，中國(guó)汽車工程協(xié)會(huì)于2013舉辦第一屆電動(dòng)方程式汽車大賽。并于2015年在上海F1賽道舉辦真正意義上的FSEC比賽，即中國(guó)大學(xué)生電動(dòng)方程式賽車大賽。

往年設(shè)計(jì)電動(dòng)方程式賽車是基于油車基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)于動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的匹配是通過理論計(jì)算得到的。但是沒有通過仿真來分析賽車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，導(dǎo)致傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不滿足整車性能要求。本文主要以電動(dòng)汽車作為研究模型，對(duì)電動(dòng)方程式賽車的電機(jī)，電池和傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)比進(jìn)行參數(shù)匹配，以及運(yùn)用CRUISE 軟件對(duì)其整車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行仿真。通過仿真結(jié)果來驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。

2　電動(dòng)方程式賽車傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1電動(dòng)方程式賽車的整車性能要求

中國(guó)大學(xué)生方程式賽車大賽的動(dòng)態(tài)比賽項(xiàng)目包括了耐久項(xiàng)目、0-75m直線加速項(xiàng)目、8字繞環(huán)項(xiàng)目和高速壁障項(xiàng)目。為了完成比賽，賽車必須要在動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、操縱穩(wěn)定性、平順性和制動(dòng)性等方面表現(xiàn)良好。傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)對(duì)0-75m直線加速項(xiàng)目和耐久項(xiàng)目影響較大，因此設(shè)計(jì)的傳動(dòng)系統(tǒng)必需要滿足續(xù)航里程和動(dòng)力性的要求。

電動(dòng)方程式賽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)是由蓄電池、控制器、電機(jī)、主減速器、半軸、驅(qū)動(dòng)輪等組成［2］。

本文是通過參考了國(guó)內(nèi)外電動(dòng)方程式賽車的設(shè)計(jì)資料的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一款電動(dòng)方程式賽車，并匹配出電機(jī)，電池和傳動(dòng)系的參數(shù)。表1表示了電動(dòng)方程式賽車整車的基本參數(shù)和性能要求。

表1　電動(dòng)賽車整車的基本參數(shù)以及性能要求

2.2電機(jī)參數(shù)的選擇

電機(jī)的主要參數(shù)包括了電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速、額定功率、峰值轉(zhuǎn)速和峰值功率［3］。

（1）根據(jù)最高車速得到賽車的峰值功率

電動(dòng)方程式賽車電機(jī)的參數(shù)是根據(jù)賽車的最高車速來確定的，選擇的電機(jī)功率應(yīng)大于等于賽車在最高車速行駛時(shí)的行駛阻力功率之和。當(dāng)賽車以最高車速在水平道路上勻速行駛時(shí)可忽略加速阻力，假定風(fēng)速為0，則需要的電機(jī)輸出功率為：

式中： P1為電機(jī)的額定功率；m為整車的滿載質(zhì)量；f 為滾動(dòng)阻力系數(shù)；umax為賽車的最高車速；Cd為空氣阻力系數(shù)；A 為迎風(fēng)面積； ηt為傳動(dòng)效率。

其中f（u）=1.2（0.0098+0.025［u /（100km/h）］

（2）根據(jù)加速性能得到電機(jī)的峰值功率

在0-75m的水平直道上，賽車加速到75m時(shí)為電動(dòng)方程式賽車的輸出最大功率，假設(shè)這個(gè)過程風(fēng)速為0，電機(jī)在加速過程所需最大功率為：

式中： P2為電機(jī)在加速末端時(shí)的峰值功率；ua為加速末端的速度，km/h ；ta為加速時(shí)間，s；δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)。

式子中：Iw為車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；If為飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；R 為車輪半徑；ig為變速器的傳動(dòng)比；i0為主減速器的傳動(dòng)比。

（3）確定電機(jī)峰值功率

電動(dòng)方程式賽車的電機(jī)的功率應(yīng)該同時(shí)滿足賽車的最高車速和加速的性能，所以的電動(dòng)方程式賽車電機(jī)的功率應(yīng)該滿足：

t

按照設(shè)計(jì)要求，選擇合適的電機(jī)。并得到電機(jī)的外特性曲線圖和電機(jī)效率圖。

2.3電池容量選擇

電池組容量的選擇主要根據(jù)賽車的最大輸出功率和輸出能量，從而保證電動(dòng)方程式賽車的動(dòng)力性和續(xù)駛里程的要求［6］。電動(dòng)賽車結(jié)構(gòu)相對(duì)于電動(dòng)汽車而言結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，沒有采用制動(dòng)能量回收裝置。所以計(jì)算電池容量如下所示。

（1）根據(jù)最大功率計(jì)算電池的數(shù)目

式子中：P2為電機(jī)的最大功率；Pb為電池的最大輸出功率；ηe為電機(jī)的工作效率；ηec為電機(jī)控制器的工作效率；n1為電池?cái)?shù)目。

（2）根據(jù)續(xù)航里程計(jì)算電池組數(shù)目

式中：L 為續(xù)航里程；W 為行駛1km所消耗的能量；Cr為電池組中單塊電池額定容量；V1為單塊蓄電池電壓；n 為電池?cái)?shù)目［7］。

則電池的數(shù)目可以表示為：

2.4傳動(dòng)比的選擇

當(dāng)電機(jī)的輸出特性一定時(shí)，傳動(dòng)系的傳動(dòng)比的選取主要是根據(jù)方程式賽車動(dòng)力性的要求，即電動(dòng)方程式賽車的傳動(dòng)比的選擇應(yīng)該滿足賽車的最高車速和0-75m的加速度時(shí)間的要求［8］。

（1）按照最高車速計(jì)算傳動(dòng)比

式中：nmax為電機(jī)最高轉(zhuǎn)速。

根據(jù)賽車電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速和賽車的最高車速可以確定賽車傳動(dòng)比的一個(gè)范圍。而且當(dāng)賽車達(dá)到最高車速時(shí)，賽車的驅(qū)動(dòng)力還應(yīng)該大于行駛阻力，所以還應(yīng)該滿足下式：

式中：Ff為空氣阻力；Fw為空氣阻力；Tm為賽車到達(dá)最高車速時(shí)電機(jī)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩。

（2）按照加速性能計(jì)算傳動(dòng)比

因?yàn)榉匠淌劫愜囈?-75m的加速時(shí)間盡可能的短，時(shí)間最好控制在4.5s以內(nèi)。所以傳動(dòng)比還應(yīng)該滿足：

式中：Fj為加速阻力，F(xiàn)j= δma ；a 為加速度； δ 為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)。

2.5電動(dòng)方程式賽車的匹配結(jié)果

電動(dòng)方程式賽車的參數(shù)在滿足表1的基礎(chǔ)上，得到的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的匹配結(jié)果如表2所示：

表2　電動(dòng)賽車匹配參數(shù)

3　基于AVL CRUISE建模與仿真

AVL CRUISE 是奧地利李斯特內(nèi)燃機(jī)及測(cè)試設(shè)備公司開發(fā)的，主要是研究汽車動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、排放性能及制動(dòng)性能的仿真分析軟件［9］。

3.1建立整車模型

根據(jù)賽車的動(dòng)力傳遞路線：電機(jī)-主減速器-差速器-半軸-車輪，建立整車模型。如圖3-1所示：

3.2設(shè)定計(jì)算任務(wù)

本文主要是研究電動(dòng)賽車在實(shí)際賽道上的運(yùn)行情況，但是AVL CRUISE沒有相應(yīng)賽道的工況圖。為了得到較為準(zhǔn)確的仿真結(jié)果，需要根據(jù)賽道的測(cè)試數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的賽道工況圖。最后得到賽道工況圖如圖3-2所示：

根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇相應(yīng)的仿真任務(wù)，主要由以下幾個(gè)任務(wù)。

（1）全負(fù)荷加速性能任務(wù)

在全負(fù)荷加速性能任務(wù)中主要根據(jù)需要建立兩個(gè)仿真指標(biāo)，分別是測(cè)試0-75m原地起步加速時(shí)間和最高車速。

（2）循環(huán)工況任務(wù)

主要是測(cè)試在賽道工況下，賽車行駛情況。根據(jù)在賽道工況下，得到賽車的百公里能量消耗。通過能量消耗，計(jì)算出賽車對(duì)賽道工況下的續(xù)航里程。

3.4仿真結(jié)果分析

（1）循環(huán)工況下電機(jī)特性分析

圖3-3表示賽車在賽道工況下車速，加速度和距離仿真曲線。在賽道工況下，電動(dòng)賽車的速度，加速度和距離仿真曲線表明賽車運(yùn)行良好。電動(dòng)賽車的最高車速可以達(dá)到108km/h；最大加速度為8.3m/s2，最大減速器為-7.5m/s2。表明賽道工況下，賽車加速和減速情況較多，運(yùn)行情況較為激烈。

（2）直線加速分析

圖3-4是直線加速部分的速度，路程和加速度曲線圖，根據(jù)Cruise的自帶的文件查看器可知0-75m的加速時(shí)間為4.2s，通過仿真可以滿足設(shè)計(jì)要求。

（3）最高車速結(jié)果分析

根據(jù)圖3-5的仿真曲線可以知道，電動(dòng)賽車的最高車速可以達(dá)到118km/h，滿足設(shè)計(jì)要求。

（4）續(xù)航里程分析

續(xù)航里程通過在賽道工況下電池的電量變化情況（SOC曲線）和百公里能量消耗得到。圖3-6表示電池SOC變化曲線，根據(jù)圖可以知道電動(dòng)賽車在完成一圈電池的SOC從100%降低到97.15%。Cruise分析結(jié)果報(bào)告得到百公里能量消耗為12.7kwh/100km，近似得到賽車在該工況下的續(xù)航里程為44km。

（5）仿真結(jié)果對(duì)比

根據(jù)軟件仿真得到的結(jié)果與設(shè)計(jì)要求進(jìn)行對(duì)比，如表3所示：

表3　整車仿真結(jié)果和設(shè)計(jì)要求對(duì)比

4　結(jié)論

本文首先對(duì)一款處于尚未制造出來的電動(dòng)賽車進(jìn)行了電機(jī)，變速器和主減速器的參數(shù)匹配分析，然后對(duì)其進(jìn)行建模和仿真。仿真結(jié)果均滿足整車參數(shù)要求，說明本文所匹配的電機(jī)，變速器和主減速滿足設(shè)計(jì)要求。為后續(xù)研發(fā)和設(shè)計(jì)工作縮短了周期，節(jié)約了成本。仿真結(jié)果為實(shí)車的設(shè)計(jì)提供了重要的依據(jù)。

［1］袁苑.基于CRUISE中型純電動(dòng)客車動(dòng)力匹配仿真［J］.農(nóng)業(yè)裝配與車輛工程，2012，50（5），15-18.

［2］楊祖元.電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)及動(dòng)力性仿真［J］.重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，25（6），19-22.

［3］景柱.純電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的匹配與仿真［J］.汽車工程學(xué)報(bào)，2013，3（1），054-057.

［4］郭孔輝.電動(dòng)汽車的傳動(dòng)系統(tǒng)的匹配和優(yōu)化［J］.科學(xué)技術(shù)與工程：2010，10（16）.3892-3894.

［5］熊明潔，胡國(guó)強(qiáng)，閔建平.純電動(dòng)汽車動(dòng)力參數(shù)選擇與匹配［J］.汽車工程師，2011（5）：36-38.

［6］馮瑞.混合動(dòng)力城市客車參數(shù)優(yōu)化及能量回饋研究［D］.合肥；合肥工業(yè)大學(xué)，2011.

［7］余志生.汽車?yán)碚摚跰］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009：33-105.

［8］嚴(yán)運(yùn)兵.電動(dòng)汽車概論［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012：19-65.

［9］王保華，羅永革.基于CRUISE的汽車建模與仿真［J］.湖北工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，19（2）：5-8.

專家推薦

孫立清：

論文以電動(dòng)方程式賽車為研究對(duì)象，根據(jù)整車性能要求，匹配了電機(jī)、電池和傳動(dòng)系統(tǒng)等參數(shù)，進(jìn)而利用AVL CRUISE軟件對(duì)賽車進(jìn)行建模和仿真分析。依據(jù)仿真結(jié)果分析了電動(dòng)方程式賽車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，證明了匹配的合理性。論文對(duì)賽車設(shè)計(jì)和改進(jìn)有重要的理論指導(dǎo)意義和工程實(shí)踐價(jià)值，建議采用發(fā)表。

Power-train design and simulation of electric formula car

TIAN Zhe-wen，YUAN Xiao-dong，LIU Yi-si，LIU Xiang，PENG yi
（ Wuhan University of Technology，Institute of Automotive Engineering，Wuhan 430070，china ）

The matching parameters of the motor，battery and power-train of an electric formula car，taken as research object，are calculated according to the performance requirements of the vehicle. Then the model of the electric formula car is established and simulated by AVL CRUISE. The results of simulation，the analysis of the dynamic and economic performance of the formula car，proved the reasonable of the design at last. The paper can provide theoretical direction of formula car's design and improvement.

Electric formula car； power-train； parameters matching； CRUSIE； simulation

2016-03-24

U462

A

1005-2550（2016）04-0034-05

10.3969/j.issn.1005-2550.2016.04.006