佟 剛，關(guān) 健(沈陽航空航天大學(xué) a.遼寧通用航空研究院，.機電工程學(xué)院，沈陽 110136)

機械與材料工程

基于ADVISOR的FSEC賽車動力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計

佟 剛a,b，關(guān) 健b
(沈陽航空航天大學(xué) a.遼寧通用航空研究院，b.機電工程學(xué)院，沈陽 110136)

根據(jù)FSEC純電動賽車方程式的賽事要求，通過對ADVISOR軟件進行二次開發(fā)，將前輪驅(qū)動模型改為后輪驅(qū)動模型，并運用ADVISOR仿真軟件對電動賽車的動力系統(tǒng)以及續(xù)駛里程進行仿真分析。根據(jù)設(shè)計要求針對該賽車的最高車速進行最高車速跟隨仿真。此外，對電動賽車進行動力系統(tǒng)選型布置及動力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計計算，其主要針對電機的功率、電池的串并聯(lián)以及傳動系的傳動比。結(jié)果表明，電動賽車的參數(shù)設(shè)計符合最初的設(shè)計要求，其結(jié)論方法可行。

電動賽車；FSEC；動力系統(tǒng)；ADVISOR；仿真

現(xiàn)如今，汽車工業(yè)的發(fā)展大力推動了中國經(jīng)濟的發(fā)展進程，與此同時，也帶來了不少負面問題，如能源的短缺、環(huán)境污染等。針對這些問題，全世界都在積極應(yīng)對并提出大力發(fā)展電動汽車的解決方案，因此，電動汽車的發(fā)展成為汽車領(lǐng)域中的重要核心。與內(nèi)燃機汽車上百個零部件相比，電動汽車電動機或控制器卻只有一個運動零部件，這就是電動汽車高效率的原因之一[1]。現(xiàn)階段，純電動賽車在我國賽車領(lǐng)域迅猛發(fā)展，特別是在大學(xué)生方程式大賽中，每屆賽事都吸引全國各大高校參與其中，其規(guī)模不斷擴大并得到更多重視。2013年中國FSAE賽事中，首次把純電動方程式汽車大賽設(shè)為競賽項目[2]。在競賽項目中，參賽車隊以提高電動賽車動力性為目標(biāo)，并通過良好的動力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計匹配來實現(xiàn)，同時對電動賽車的經(jīng)濟性以及續(xù)駛里程方面有著深遠的研究意義。

1 動力設(shè)計要求及結(jié)構(gòu)選型

1.1 動力設(shè)計要求

在電動賽車中，直接影響賽車動力參數(shù)的主要因素分別為動力源、驅(qū)動電機、控制器、傳動系以及控制策略等。直接決定電動賽車的整車性能以及動力性能的主要因素為合理的動力系統(tǒng)匹配。根據(jù)歷屆大賽經(jīng)驗，所設(shè)計的純電動賽車整車參數(shù)如表1所示。

表1 賽車參數(shù)及性能要求

1.2 動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選型

該賽車的蓄電池選用鈷酸鋰電池，驅(qū)動電機選用永磁同步電動機，該電機具有功率密度高、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點[3]。在傳動系方面則采用取消變速器，保留減速器形式的方案。在結(jié)構(gòu)上由于沒有傳動軸，這種傳動結(jié)構(gòu)緊湊，便于布置其他系統(tǒng)的部件[4]，其動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 動力系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計

決定電動汽車動力系統(tǒng)性能的標(biāo)準(zhǔn)是電動汽車的運行性能，特別是最為關(guān)鍵的動力系統(tǒng)。電池組、電機以及傳動系的參數(shù)設(shè)計均是電動汽車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配的關(guān)鍵組成部分。

2.1 電機的參數(shù)設(shè)計

額定功率Pe和最大功率Pmax是電動機功率的主要功率。在正常行車工況下，賽車的行駛車速一般低于設(shè)計時的最高車速。由于需要頻繁加速，所以賽車的后備功率是必不可少的[5]。因此，賽車的最高車速可決定額定功率Pe。由于`在FSEC規(guī)則中對爬坡度沒有要求，故在這里不做考慮[4]。最高速度工況時電機消耗功率為[7]：

(1)

式(1)中M為汽車總質(zhì)量，g為重力加速度，f為滾動阻力系數(shù)，Vm為行駛最高車速，CD為空氣阻力系數(shù)，A為迎風(fēng)面積，ηT為傳動效率。

電動賽車在行駛時需要頻繁加速，因此電動賽車須具備較高的加速性能。在賽車加速的工況下，要求賽車的額定功率應(yīng)小于過載功率Pmax。加速工況要求車輛在4.5秒內(nèi)由0km/h加速到80km/h，此時電機工作在峰值功率狀態(tài)，加速階段電機平均功率為：

(2)

式(2)中Pj為加速過程電機平均峰值功率,t為加速時間，Vm為末速度，即為最高車速。

參考其他車隊經(jīng)驗數(shù)據(jù)，耐久賽全程平均時速在50 km/h左右，平均功率在40～50kW?？紤]到該賽車為實驗賽車，因此設(shè)定平均時速50 km/h，平均功率在45 kW左右。電機的額定功率選在25～35 kW之間時，賽車的電機可在高效率區(qū)持續(xù)工作。

該賽車電機的額定轉(zhuǎn)速、最高轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩則由最高車速和平均車速來確定。

(3)

(4)

式(3)、(4)中，T為電機扭矩，n為電機轉(zhuǎn)速，i為傳動比。預(yù)設(shè)傳動比為5。

由電機外特性可知，恒定最大扭矩可在驅(qū)動電機低速區(qū)獲得，恒定較高功率可在高速區(qū)獲得。

綜上所述，電機額定功率為30 kW，峰值功率為70 kW；選擇電機額定轉(zhuǎn)矩為100 Nm，最大扭矩為200 Nm；電機的額定轉(zhuǎn)速為2 950 r/min，最大轉(zhuǎn)速為8 150 r/min。

2.2 電池組的參數(shù)設(shè)計

電池是賽車?yán)m(xù)駛里程的重要部件。選擇鈷酸鋰電池作為該電動賽車的動力源，其單體電壓為3.7 V，單體容量為18 Ah，最大放電倍率為15 C。由此符合電動賽車對電池比功率和比能量的要求。鈷酸鋰電池更適合作為賽車電池是因為該電池具有能量密度高、功率密度大、自放電率小、循環(huán)壽命長的特點[6]。

2.2.1 由電機功率確定電池數(shù)目

(5)

式(5)中Pemax為電機最大功率，Pbmax為單個電池功率，ηe為電機效率，ηc為電機控制效率。

2.2.2 由續(xù)駛里程確定電池數(shù)目

(6)

式(6)中Sd為賽車耐久賽里程數(shù)，V1為電池單體電壓，Cr為電池組單個電池的容量，W為賽車行駛1 km所消耗的能量。

電池組的總電壓必須略高于電機額定電壓330 V，因此，串聯(lián)電池數(shù)目為[4]

(7)

式(7)中Um為電機的額定電壓，Vs為單體電池的額定電壓。

通過計算得到電池總數(shù)為180塊，賽車電池組合形式為90串聯(lián)，2并聯(lián)。

2.3 傳動系的參數(shù)設(shè)計

2.3.1 按最高車速計算

傳動比使得驅(qū)動電機以最高轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)時賽車的最高車速可達到140km/h，可證電機在最高轉(zhuǎn)速時賽車可達到最高車速[7]。為此，應(yīng)滿足

(8)

式(8)中nmax為電機的最高轉(zhuǎn)速。

另一方面，最高車速行駛時，賽車的驅(qū)動力應(yīng)大于行駛阻力[7]，因此，還應(yīng)滿足

(9)

式(9)中Tm為電機提供的轉(zhuǎn)矩，F(xiàn)f為滾動阻力，F(xiàn)w為空氣阻力，i為傳動系傳動比，ηT為傳動系的效率。

2.3.2 按加速能力計算

根據(jù)設(shè)計要求，75m加速時間應(yīng)小于4.5s，因此有

(10)

式(10)中Fj為加速阻力。

通過計算，最后確定傳動比為4.97。

3 系統(tǒng)仿真分析

利用ADVISOR軟件進行仿真分析。ADVISOR采用模塊化的編程思想，語言采用MATLAB/SIMULINK語言，最大的特點是代碼完全免費公開的，很方便使用者進行二次開發(fā)研究。由Simulink模型和腳本文件組成，利用設(shè)定的道路循環(huán)條件，快速分析車輛的經(jīng)濟性、動力性等[8]。通過對ADVISOR軟件的二次開發(fā)，把軟件默認(rèn)的內(nèi)嵌前驅(qū)車型結(jié)構(gòu)調(diào)整為后驅(qū)的車型結(jié)構(gòu)，使后驅(qū)動賽車仿真設(shè)計得以實現(xiàn)[9]。

ADVISOR純電動汽車頂層仿真模型如圖2所示，純電動汽車中，整車的全部能量來自于電能。整車的能源靠電機將電能轉(zhuǎn)化為機械能，電機接受來自蓄電池組的供電。蓄電池組的初始狀態(tài)為滿電狀態(tài)，即SOC值為1.0。本模型主要有以下模塊：循環(huán)模塊(Drive cycle)、整車模塊(Vehicle)、車輪和半軸模塊(Wheel and axle)、變速器模塊(Gearbox)、能量儲存器模塊(Energy storage)、主減速器模塊(Final drive)、電機與控制模塊(Motor/controller)、蓄電池組附件模塊(Electric accessory loads)、功率總線模塊(Power bus)、整車控制模塊(Vehicle control)、仿真時間、以及標(biāo)準(zhǔn)診斷輸出模塊。該模型默認(rèn)的變速器是單速變速器，整車負載為恒定功率負載[10]。由于純電動汽車零排放污染，該模型省略了排放后處理模塊所以排放輸出為零[10]。

圖2 純電動汽車頂層模型結(jié)構(gòu)

其中整車控制模塊主要包括不同種類控制策略的仿真模型；能量儲存器模塊對外輸出功率用以滿足系統(tǒng)功率需求；在整個仿真過程中，預(yù)處理請求車速的提供來自于循環(huán)模塊；功率總線模塊主要是分配并計算傳遞功率；電機與控制模塊的主要功能是將傳動系所需要的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為電功率；傳遞車速并依據(jù)車速的變化來調(diào)整相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速分別是整車模塊、變速器模塊、主減速器模塊以及車輪和半軸模塊。

圖2中每個模塊間的箭頭的指向表示了仿真時軟件內(nèi)部數(shù)據(jù)流的傳遞路徑。數(shù)據(jù)流的傳遞路徑主要分為向后計算路徑和向前計算路徑。向后計算路徑的方向為從左向右，向前計算路徑的方向為從右向左。向后計算即各個模塊依次向上一級模塊輸出請求轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速或功率，這種方法仿真速度很快，但需要假設(shè)行駛工況[11]。而向前計算即各個模塊依次向下一級輸出反饋轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速或功率。

圖3為整車參數(shù)輸入界面，在該界面下，可以根據(jù)需要選擇動力傳動系配置，同時也可以對已選的動力傳動系部件的參數(shù)進行設(shè)置。

圖3 整車參數(shù)輸入界面

在該界面下，輸入賽車動力參數(shù)，如整車參數(shù)、蓄電池參數(shù)、電機參數(shù)、傳動系參數(shù)等。對所需輸入的參數(shù)進行相應(yīng)的M文件修改即可。對整車模型進行二次開發(fā)，在ADVISOR軟件內(nèi)，將默認(rèn)的前驅(qū)動模型改為后驅(qū)動模型。依據(jù)ADVISOR軟件特定的車輛部件定義文件，對后輪驅(qū)動的更改方法如下：在Vehicle的M文件內(nèi)的整車靜止時前軸載荷(veh _front_wt_frac)數(shù)值設(shè)為后軸載荷數(shù)值；重心高度變量(hg)數(shù)值設(shè)為實際數(shù)值的相反數(shù)[12]。

在ADVISOR中有很多種類型的循環(huán)工況，主要分為道路循環(huán)(Driver Cycle)、多重循環(huán)(Mul-tiple Cycles)、和測試過程(Test Procedure)3種。其中有美國環(huán)境保護署EPA所制定的城市道路循環(huán)工況UDDS，聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟委員會制定的歐洲城市行駛循環(huán)工況ECE以及紐約城市工況NYCC[13]。而Driver Cycle提供了包括美國城市驅(qū)動工況、日本的10-15驅(qū)動工況等56種外國標(biāo)準(zhǔn)道路循環(huán)工況[14]。Test Procedure提供了8種國外標(biāo)準(zhǔn)的測試過程[15]。而CYC_ECE_EUDC循環(huán)工況為模態(tài)型循環(huán)工況，相對其他循環(huán)工況便于仿真分析。

仿真車速如圖4所示，在CYC_ECE_EUDC工況下，該電動賽車平均車速以及續(xù)駛里程均滿足最初的設(shè)計要求。

圖4 仿真車速隨時間變化曲線

電池的SOC值變化如圖5所示。在初始階段，電池會在平穩(wěn)區(qū)域工作，并且電池荷電狀態(tài)曲線下降平穩(wěn)，當(dāng)SOC值達到0.85時，由于電池放電極化現(xiàn)象，其值下降處于較快階段。

賽車的最高車速由自定義跟隨工況仿真得出。通過對自定義CYC_200CONSTANT階躍式行駛工況仿真，可驗證出賽車能否達到設(shè)計的最高車速140km/h。仿真車速如圖6所示。整車動力性以及在CYC_200CONSTANT工況下的車速均滿足設(shè)計要求。

圖5 電池荷電狀態(tài)隨時間變化曲線

圖6 仿真最高車速隨時間變化曲線

加速性能的設(shè)定如圖7所示。

圖7 加速性能設(shè)定

通過CYC_ECE_EUDC循環(huán)工況輸入，并進行動力系統(tǒng)仿真分析，在ADVISOR中得到仿真結(jié)果如表2所示。

表2 循環(huán)工況仿真結(jié)果

4 結(jié)論

通過對FSEC方程式的動力參數(shù)進行合理匹配，以及對ADVISOR軟件的二次開發(fā)和整車頂層模型分析，更改軟件默認(rèn)的內(nèi)嵌車型結(jié)構(gòu)，將軟件內(nèi)自帶的前驅(qū)車型改為后驅(qū)，實現(xiàn)對賽車動力性的仿真分析，并特別對最高車速的測定自定義最高車速跟隨工況。從仿真數(shù)據(jù)看出，初始設(shè)計均滿足預(yù)期目標(biāo)，并在賽車動力性能(加速性能、最高車速)以及續(xù)駛里程等指標(biāo)上有著良好表現(xiàn)。綜上所述，通過對賽車的動力參數(shù)設(shè)計以及軟件仿真分析的比對，可證其結(jié)論的合理性，就此提出了一種新的對電動汽車的設(shè)計、性能預(yù)測和分析的方法。

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(責(zé)任編輯：吳萍 英文審校：唐亮)

Parameter design of power system for FSEC vehicle based on ADVISOR software

TONG Ganga,b,GUAN Jianb
(a.Liaoning Academy of General Aviation,b.College of Mechanical and Electrical Engineering,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136,China)

According to the requirements of the FSEC pure electric racing equation,the front wheel drive model was changed to the rear wheel drive model,and the power system and the driving range of the electric racing car was simulated by the secondary development of the ADVISOR software.In accordance with the design requirements,top speed to follow was simulated.In addition,we completed the selection and layout for the electric racing car,and designed and calculated the power system parameters mainly based on the power of the motor,the battery series and parallel and transmission driveline.The results show that the parameter design of the electric racing car meets the original design requirements,indicating the method is feasible.

electric racing vehicle;FSEC;power system;ADVISOR;simulation

2016-11-30

佟 剛(1964-)，男，遼寧興城人，教授，主要研究方向：車輛工程及通用航空產(chǎn)品開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化，E-mail：tongren@sau.edu.cn。

2095-1248(2017)02-0038-06

TP391.9；U46

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2017.02.007