FSAE大学生方程式赛车(电动版)设计说明书

1、广西工学院鹿山学院本科生毕业设计（论文）摘 要以大学生方程式赛事为背景，参考广西工学院鹿山学院大学生方程式赛车作为基础，应用汽车理论和汽车设计等相关知识结合比赛规则，对赛车的基本尺寸、质量参数和赛车的性能参数进行选择，对赛车各总成进行选型和总布置，进行赛车蓄能系统、再生制动系统以及行驶系统、传动系统进行设计。根据同组同学确定的驱动系统，结合比赛需求计算出电池、电容容量和要求，选择电池、电容型号和组合形式，确定出外形尺寸和质量和安装位置。再为蓄能装置匹配出合适的充电系统。设计节能环保的再生制动系统,然后按照鹿山二号对纯电动方程式赛车的行驶系统、传动系统进行改动,最后再结合同组同学的参数，确定整车

2、的设计参数。随着全球能源、环境问题的日益严峻，节能环保的纯电动车辆将会成为下一个时代的主流。关键词：大学生方程式赛车；总布置；磷酸铁锂电池；超级电容 AbstractStudents Formula One racing events as the background, refer to the Guangxi Institute of Technology the Kayama College Students Formula One racing as a basis for the automotive design and automotive theory and other re

3、lated information as well as the FSAE competition rules，application of automotive theory and knowledge of automotive design , combined with the rules of the game , the basic dimensions of the car , quality parameters and performance parameters of the car selection , selection and general arrangement

4、 of the assembly of the car , the car energy storage system , regenerative braking system and driving system, transmission system design.According to the same group of students to determine the drive system , combined with the game needs to calculate the battery, capacitor , capacity and requirement

5、s , select the battery, capacitor model and the combination to determine the shape size and quality , and installation location . Match the charging system for the energy storage device . The regenerative braking system of the design of energy saving and environmental protection , and then follow th

6、e Lushan II Formula One racing for pure electric driving system , the transmission system to make changes , and finally combined with the parameters of the same group of students to determine the design parameters of the vehicle .Keywords: college students and Formula One racing ; general arrangemen

7、t ; lithium iron phosphate batteries ; super capacitor目 录1 绪论51.1 大学生方程式赛事介绍51.2 大学生方程式的历史51.3 赛事意义61.4 国内外发展现状62 纯电动方程式赛车总布置设计72.1 赛车主要参数的选取72.1.1 纯电动方程式赛车机械部分参数的选取72.1.2 赛车性能参数的选取82.1.3 悬架主要参数（学院车队提供）92.2 赛车驱动电机的选取92.2.1 电机类型的选择92.2.2 电机功率的选择102.3 赛车各总成选型原则和总布置112.3.1 悬架、轮胎的选择112.3.2 制动系统112.3.3 车

8、架122.4 人机工程122.4.1 人体尺寸122.5 赛车的轴荷分配132.5.1 学院鹿山2号的轴荷分配132.5.2 纯电动方程式赛车相对后轴增加的质量分布的计算142.5.3 纯电动方程式赛车轴荷的分配143 储能装置的选择153.1 蓄能装置的容量计算153.1.1 赛车的续驶里程153.1.2 蓄能器容量的计算153.2 蓄能装置类型的选择153.2.1 高比能量蓄能装置153.2.2 高比功率储能设备的选择183.2.3 高比功率装置的计算183.2.4 超级电容的计算234充电器的设计2541 锂离子电池充电方法254.1.1 常用的充电方法10254.1.2 赛车充电放式的

9、选取2642 赛车的充电要求264.2.1 赛车的充电要求264.2.2 充电器方框图264.2.3 充电器的分析275 再生制动305.1 赛车制动力矩的计算305.1.1 赛车制动力的要求305.1.2 赛车制动力的计算305.2 制动距离和制动减速度315.2.1 制动减速度计算315.2.2 制动距离计算315.3 制动效能的恒定性315.4 制动的稳定性325.5 前、后制动器制动力的比例关系325.5.1 求出I曲线325.5.2 具有固定比值的前、后制动器制动力分析335.6 赛车要求的最大制动力345.6.1 赛车最高车速下所具有的能量345.6.2 塞车的制动力要求345.6

10、.3 赛车制动器制动力的选取355.6.4 赛车再生制动路线分析366 机械传动系统与行驶系386.1 机械传动系统386.2 行驶系386.2.1 车架386.2.2 车桥和车轮386.2.3 悬架39致 谢43参考文献441 绪论1.1 大学生方程式赛事介绍 全球可利用能源逐渐减少、环境恶化的形式越来越严峻，人类需要一个更安全、低碳的能源体系及环境。世界各大汽车厂商相继投巨资开发新能源汽车，政府部门也相继出台相关政策鼓励开发新能源汽车1。SAE方程式系列赛事也很重视这一点加入了混合动力赛车的比赛。SAE方程式系列赛事虽说没有纯电动方程式赛车的比赛，将来纯电动汽车技术在成熟一点的时候也一定会

11、举办纯电动方程式赛车的比赛。目前国内外都还没有专门为纯电动方程式赛车而设置的专门赛事，因此本次纯电动方程式赛车按照中国大学生方程式汽车大赛的规则来进行设计。中国大学生方程式汽车大赛，英文名称：Formula SAE-China简称：FSAE。中国大学生方程式汽车是中国汽车工程学会及其会员单位，在学习和总结美、日、德等国家相关经验的基础上，结合中国国情，精心打造的一项新赛事。目的是培养学生的设计制造能量、成本控制能力和团队沟通协作能量。使学生能够尽快适应企业需求，为企业挑选优秀适用人才提供平台；同时通过活动创造学术竞争氛围，为院校间的交流提供一个平台，进而推动学科建设的提升2。FSAE活动由各高

12、等院校汽车工程或与汽车相关专业的在校学生组队参加。FSAE要求各参加队按照赛事规则和赛车制造标准，自行设计和制造方程式类型的赛车，并且该车参加全部或部分赛事环节。在比赛过程中，参数队员能充分将所学的理论知识运用于实践中。同时，还学习到组织管理、市场营销、物流运输、汽车运动等多方面知识，培养了良好的人际沟通能力和团队合作精神，成为符合社会需求的全面人才。FSAE是一项由高等院校汽车工程或汽车相关专业在校学生组队参加的汽车设计与制造比赛。参赛车队按照赛事规则和赛事制造标准，在一年的时间内自行设计和制造出一辆在加速、制动操控性等方面具有优异表现的小型单人座休闲赛车，能够成功完成全部或部分赛事环节的比

13、赛。中国FSAE是一项非盈利的社会公益性事业，利在当代，功在未来。项目的运营和发展结合优秀高等院校资源、整车和零部件制造商资源，获得了政府部门和社会各界的大力支持以及品牌企业的资助。社会各界对项目投入人力支持和资金赞助全部用于赛事组织、赛事推广和为参赛学生设立赛事奖金。1.2 大学生方程式的历史 SAE方程式系列赛源于1978年。第一次比赛于1979年在美国波斯顿举行，13支队伍中有11支完赛。当时的规则是制作一台5马力的木质赛车。SAE方程式系列赛将挑战本科生、研究生团队构思、设计与制造小型具有越野性能的方程式赛车的能力。为了给车队最大的设计弹性和自我表达创意和想象力的空间，在整车设计方面将

14、会限制很少2。1.3 赛事意义大学生方程式赛车活动将以院校为单位组织学生参与，赛事组织的目的是要重点培养学生的设计、制造能力、成本控制能力和团队沟通协作能力，使学生适应企业需求，为企业提供适用人才的一个良好平台。通过比赛营造学术竞争的氛围，为各大高校间提供切磋的机会，间接的推动汽车学科建设的提升。大赛在提高和检验汽车行业院校的综合素质，为汽车工业健康、快速和可持续发展积蓄人才，增进产、学、研三方的交流与互动合作等方面具有十分广泛的意义。毫无疑问，对于对汽车的了解仅限于书本和个人驾乘体验的大学生而言，组成一个团队设计一辆纯粹而高性能的赛车并将它制造出来，是一段极具挑战，同时也受益颇丰的过程。在天

15、马行空的幻想、大脑一片空白的开始、兴奋的初步设计、激烈的争执、毫无方向的采购和加工、无可奈何的妥协、令人抓狂的返工、绞尽脑汁的解决问题之后，参与者获得的不仅仅是焊接、定位、机加工技能，更有汽车工程师的基本素养和丰富的实践经验。FSAE赛事也给了汽车厂商发现优秀人才和创意想法的机会。1.4 国内外发展现状 我国是汽车工业的大国家，但是目前还不是强国，对于FSAE来说我们更是落后于发达国家，我们对于FSAE的了解大多是从电视、网上、媒体上了解到的，除了在屏幕上看到赛车在飞驰的赛道上，几乎没有机会去现场体验下FSAE给我们带来的视觉的冲击和内心的震撼，除了在镜头里的赛车还是有很多学问我们不知道的，在

16、国内能接触到FSAE的是很少的，世界的三大赛事分别是奥运会、世界杯、F1赛车，随着我国在世界上地位的升高和综合国力的提升，奥运会的成功举办，上海国际赛车场赛道被国际汽联授予赛道最高级别认证的赛道，中国大学生方程式赛车的举办，中国的FSAE会逐渐的与国际接轨，并得到快速的发展。 国外的FSAE技术已经有很大的发展，并且国外大学里的FSAE也已经相对成熟，很多的工科学校非常重视这个比赛，他们拥有自己的车队并且得到企业与社会的大力支持和认可。在国外有很多人从事赛车的设计、制造和研究工作，这已经慢慢的成为了一项产业。2 纯电动方程式赛车总布置设计赛车的总布置设计中，在研究了赛车规则、明确了主要尺寸、质

17、量参数、成本控制和性能要求之后，就对相应的部件进行空间布置，并使其达到最佳的组合。2.1 赛车主要参数的选取2.1.1 纯电动方程式赛车机械部分参数的选取根据学校去年参加全国方程式比赛的鹿山二号为样车，对样车进行测绘得到以下参数:表2-1 样车参数整车参数数值单位整车参数数值单位车架长度2150mm前轮外倾角-0.5车架宽度640mm前轮主销内倾角2车架高度1050mm主销后倾角5轴距1530mm车前轮前束-0.3前轮距1200mm刹车盘质量2kg后轮距1180mm主销长度240mm整备质量320kg轴荷分配47/53最小离地间隙35mm车轮半径260mm车架重量30kg车轮质量3kg（1）轴

18、距的选择根据方程式赛车规则要求：赛车的轴距必须至少为 1525 mm（60 英寸）。轴距是指在车轮指向正前方时同侧两车轮的接地面中心点之间的距离。为了减轻整车质量，减小赛车的转弯半径，降低成本，但是减小了赛车的可用空间，因此学院车队综合考虑选取1530mm，纯电动车也采用1530mm。（2）轮距的选择方程式赛车规则要求：赛车较小的轮距（前轮或后轮）必须不小于较大轮距的 75%。轮距的选择，对整车的质量、转弯半径、稳定性和整车布置空间都有很大的影响，轮距越大赛车悬架横向刚度将增大，赛车在转向是的稳定性将会提高，整车的布置空间将会增大，但是转弯半径将会增大。考虑到轮胎、转向系、前悬架的布置和转向轮

19、的摆动防止运动干涉等，综合考虑多种因素赛车前轮距为1200mm，后轮距为1180。 (3)整备质量 方程式赛车为了拥有良好的加速性能、燃油经济性等必须减小赛车的整备质量。故要降低各种零部件总成的质量，纯电动方程式赛车要求质量更轻，本次方程式赛车是在学院现有的鹿山2号为样车设计的。2011年鹿山学院FSAE赛车鹿山2号的车重（不含车手，燃油）为210kg，其中发动机和变速器重量为49kg（学院车队提供参数），后桥和减速器转动机构为15kg（经过对赛车备件秤重），电池为3kg（经过对赛车电池秤重），油箱为2kg（学院车队提供参数），刹车系统2kg2=4kg（经过对赛车备件秤重）纯电动方程式赛车可以

20、用改进使用原车的行驶系统、转向系统、车身等。纯电动方程式赛车的重量m：改进使用原车的行驶系统、转向系统、车身为137kg；驱动电机系统17kg2=34kg （估算重量）；能源装置28kg+5kg=33kg（估算重量）；车手68kg（FSAE规则要求）；车载充电系统和控制系统、电缆及其附件为15kg（估算重量）纯电动方程式赛车的整备质量m=133kg+34kg+4kg+36kg+68kg+15kg=287kg。2.1.2 赛车性能参数的选取（1）赛车的迎风面积的测绘图2-1 FSAE赛车迎风面积示意图通过对学院鹿山2号赛车进行测绘，得到上面示意图.经过计算得迎风面积A=0.7626。（2）赛车的

21、最高车速设定在之前做方案论证和收集阅读了相关的资料，由于上海卡丁车赛车直线距离较短，若设计车速太高根本达不到其最高车速，为了保证赛车有很好的加速和操纵稳定性设定最高车速为117km/h。（3）赛车最小转弯半径赛车最小转弯半径可以改善赛车的操纵稳定性和通过性，纯电动方程式赛车将参照学院赛车选取3m。2.1.3 悬架主要参数（学院车队提供）表2-2 悬架参数悬架参数数值单位悬架参数数值单位前悬偏频2.5Hz主销后倾角5度后悬偏频2.4Hz前轮前束-0.3度前轮外倾-0.5度前侧倾中心15前轮主销内倾角2度后侧倾中心30纯电动方程式赛车将参照学院鹿山2号的悬架设计。偏频决定了悬架的软硬，由于赛车在制

22、动时，前悬架承受的力比后悬架的大很多等因素考虑前悬偏频为2.5Hz后悬偏频2.4。2.2 赛车驱动电机的选取2.2.1 电机类型的选择纯电动方程式赛车采用轮毂电机驱动，后面两个车轮每个轮装一个轮毂电机，不需要传动机构和差速齿轮，可以按所需动力来分配两个电机的功率和转速，因此整个系统的效率得以提高并且节约了空间使车身设计更加多变灵活。在控制方面，轮毂电机驱动的汽车可以采用电子控制直接对驱动轮制动，同时可以结合机械制动，而且能实现制动能量回收等3。采用轮毂电机设计减轻车辆的簧载质量，将原来的机械传动改成了软连接，有利于赛车的整布置。轮毂驱动的多轮分布式电动汽车是由两个、四个或多个电机分别安装在车轮

23、内部,直接驱动车轮前进。与集中电机驱动相比,采用分布式驱动结构,可以省去复杂笨重的变速箱、传动轴以及差速器等传动系统,显著降低整车质量且分布更加均衡,提高传动效率,节约能源,同时便于实现低地板汽车的设计,方便乘客乘坐,并且可以利用电机再生制动同时回收各车轮的制动能量,提高电动汽车的续驶里程。更为显著的优点是由于电机控制比发动机控制更为简单准确,响应及时迅速,因此可以实现多个车轮单独控制,比传统车辆更容易实现复杂的车辆动力学控制4。2.2.2 电机功率的选择（1）空气阻力系数的与迎风面积的计算FSAE赛车的迎风面积A=0.7626（2）汽车空气阻力系数表2-3 汽车的空气阻力系数与迎风面积1车型

24、迎风面积A/空气阻力系数典型轿车1.72.10.300.41纯电动方程式赛车的外形和空气动力学最接近典型轿车，故按照典型轿车选取空气阻力系数。由于典型轿车的迎风面积在1.72.1，空气阻力系数在0.300.41，而纯电动方程式赛车的迎风面积是0.7626，赛车的外形流线型不及典型轿车，故赛车空气助力系数取0.41。（3）根据赛车速度确定电机最高转速(2-1)最大转速为n（r/min）、r为车轮半径0.26（m）、由于采用外转子轮毂电机故主减速器传动比取1、由于采用外转子轮毂电机故变速器传动比取1。n=1200 r/min（4）赛车在良好平直路面等速行驶下的阻力功率(2-2)轿车轮胎在良好路面上

25、的滚动阻力系数(2-3)取0.0095，取0.0020，取0.0015，取117 km/h，f=0.01472，由于采用外转子轮毂电机，电机的传动效率为0.95=8.46kw，因此电机选用永泰电动车电机有限公司生产的4.5kw的YT编程轮毂电机两个安装在后轮驱动赛车。表2-4 电机规格 YT编程轮毂电机4.5KW最大扭矩160N.m额定扭矩90N.m额定功率4.5kw额定电压210v外形尺寸228*155mm效率95%最大转速1200r/min额定转速1100r/min 图2-2 轮毂电机外形尺寸和安装图2.3 赛车各总成选型原则和总布置2.3.1 悬架、轮胎的选择赛车的悬架系统采用双横臂独独

26、立悬架系统，双横臂独独立悬架是现代车辆悬架常用的结构形式，具有良好的操纵稳定性和行驶平顺性，加上这种悬架结构简单，轻便可靠，所以在现代汽车尤其赛车上得到广泛应用5。前悬架为拉杆式不等长双横臂独立悬架，后悬架为推杆式不等长双横臂独立悬架。赛车采用采用keizer13英寸轮辋、轮胎采用Hoosier180/520R13。轮胎采用专用的热轮胎其摩擦系数可达到1.4而且质量轻3kg（轮辋加轮胎）。2.3.2 制动系统制动系统采用前机械液压制动，后轮采用再生制动，前后轮独立制动。通过机械液压制动和再生制动控制系统来分配和控制制动力。2.3.3 车架车架为钢管桁架结构，有利于保护车手的安全并且质量轻。本次

27、纯电动方程式赛车采用鹿山2号车架的设计。2.4 人机工程2.4.1 人体尺寸2.4.1.1 根据方程式赛车规则要求驾驶区的布置一般以95%的男性人体模型为基准设计。图2-3 戴头盔的男性第 95 百分位模版2.4.1.2 赛车人机布置（1）驾驶姿势以 GB10000-1988 中国成年人体尺寸为标准，选择合适的人体模板，并考虑舒适驾驶姿势的人体生理角度如图所示，由人体的布置设计确定赛车空间大小及布置，即协调空间大小和驾驶姿势的关系，为驾驶室的长和高等设计指标限定约束2。表2-5 驾驶室约束表部位A1A2A3A4A5A6角度范围(度)1035105080160901259515585110图2-

28、4 驾驶姿势的人体生理角度纯电动方程式赛车驾驶室布置将按照学院鹿山2号参考设计。2.5 赛车的轴荷分配2.5.1 学院鹿山2号的轴荷分配2.5.1.1 原车相对后轴减去部分的质量分布的计算赛车质心离后轴距离为719.00mm，赛车质心至后轴距离为810.00mm，轴荷比47/53。经估算赛车发动机总成（49kg）质心至后轴距离为410mm、距地面的高度为（300mm），主减速器总成（15kg）、质心至后轴距离为（100mm）、距地面的高度为（200mm），原车电池（3kg）、质心至后轴距离为（500mm）、距地面的高度为（100mm），油箱（2kg）质心至后轴距离为400mm、距地面的高度为（

29、250mm），后刹车（4kg）质心至后轴距离为0mm、距地面的高度为（260mm）。由公式(2-4)其中为原车相对后轴减去的质量分布，为发动机质量（取49kg） ，为发动机总成质心至后轴距离（0.41m）， 为主减速器质量（15kg），主减速器总成质心至后轴距离（取0.1m）， 为油箱的质量（去2kg），为油箱质心至后轴距离（取0.4m）， 为原车电池的质量（去3kg）， 为原车电池（3kg）质心至后轴距离（0.5m）。得为23.89kgm同理可得质心高度相对与地面减去的=19.54 kgm。2.5.2 纯电动方程式赛车相对后轴增加的质量分布的计算赛车驱动电机（17kg2）质心离后轴距离为0m

30、m、距地面的高度为（260mm），赛车储能系统（33kg）质心至后轴距离为500mm、距地面的高度为（200mm），赛车控制系统、充电系统、电缆及其附件（15kg）质心至后轴距离为450mm、距地面的高度为（280mm）。由公式(2-5)其中为原车相对后轴减去的质量分布，为驱动电机质量（取17kg），为赛车驱动电机质心离后轴距离（0m）， 为能源系统的质量（33kg），为赛车储能系统质心至后轴距离（取0.5m）， 为赛车控制系统、充电系统、电缆及其附件的质量（取15kg），为赛车控制系统、充电系统、电缆及其附件质心至后轴距离（取0.45m）。得=23.2523.89kgm；同理可得=19.64

31、 kgm。2.5.3 纯电动方程式赛车轴荷的分配根据汽车设计6，由于纯电动方程式赛车增加的质量分配和学院鹿山2号赛车减去的质量分配和质心高度都相差不大，因此纯电动方程式的轴荷也采用47/53，质心高度也与学院赛车鹿山2号相同为300mm。本章小结本章主要考虑到本次纯电动方程式赛车的设计的基础是学院现有的大学方程式赛车鹿山二号，在总布置时考虑到原车设计整车整备质量为250kg，为了可以使用原车的车架和悬架等，因此要求纯电动方程式赛车要求设计的轻量化。为了不大改动车架和悬架而放入蓄能系统和驱动系统，故纯电动赛车采用轮毂电机设计和按照原车的轴荷重新进行了匹配。3 储能装置的选择3.1 蓄能装置的容量

32、计算3.1.1 赛车的续驶里程根据比赛规则方程式赛车行驶里程最长的测试为耐久赛，其总行驶里程为22km、平均时速为48km/h57km/h、最高车速为105km/h。为保证赛车能顺利完成耐久测试故储能装置必须能提供赛车不低于22km续驶里程的能量。3.1.2 蓄能器容量的计算赛车最高平均速度为57km/h，完成22km的耐久测试所需的时间为0.39h（23min）。赛车以57km/h的时速在平坦赛道上行驶所需的功率为1.49kw，而赛车装有再生制动系统在弯道减速的能量大部分被回收用于下次加速工况，故在整个耐久赛蓄能装置用于赛车加速的能量很少。因此赛车的蓄能装置在设计时以赛车在57km/h的时速

33、下在平坦赛道上行驶所需的功率考虑。赛车在57km/h时在平坦道路所需的功率：(3-1)=1.49kw电机的额定电压为=210V赛车在57km/h时的电流：(3-2)即 7.10A 。赛车在耐久赛比赛所需的电池容量为2.77Ah,由于电池的充放电率不为1和保证赛车续驶里程不低于22km的考虑，故选取4.5Ah的电池来提供能量。3.2 蓄能装置类型的选择3.2.1 高比能量蓄能装置3.2.1.1 高比能量蓄能装置的选择（1）高比能量储能设备的选择表3-1 几种常用电池的对比7工作电压（V）循环寿命重量比能（Wh/kg）记忆效应是否环保特性铅酸2V2004003050无否1技术最成熟，但能量密度低，

34、寿命短，性价比不理想。2.铅为有害物质。镍氢1.2V50070无是1.工作电压低。需较多串并，稳定性差。2.自放电率高镍镉1.2V500100060有否1.工作电压低，需较多串并，稳定性差。2.有记忆效应。3.镉为有害物质锰酸锂3.7V30050090120无是高温特性差，温度达80摄氏度时，容量下降一半，且无法恢复。磷酸铁锂3.3V2000120无是1.高温特性佳，安全性高，无爆炸之虑。2.铁为全球第二大蕴藏量的金属元素，电池成本有极大下降空间。3.使用寿命长。（2）由于锂离子电池具有比能量很高、输出的电压高、循环寿命长、自放电小、安全性能好、环保性能好、充电效率高、可实现快速充电、工作温度

35、范围宽、维护方便等优点故纯电动方程式赛车采用锂离子电池。表3-2 几种锂离子电池的参数列表8钴酸锂 liCo02锰酸锂 LiMn204磷酸铁锂 LiFeP04振实密度（g/cm3）2.83.02.22.41.01.4比表面积（m2/g）0.40.60.40.81220克容量（mAh/g）135140100115130140电压平台（V）3.63.73.2循环性能=300次=500次=2000次过渡金属贫乏丰富非常丰富原料成本高低廉低廉环保含钴无毒无毒安全性能差良好优秀适用领域小电池（手机）动力电池（自行车）动力电池/超大容量电源（3）磷酸铁锂动力电池使用安全，解决了钴酸锂和锰酸锂电池的安全隐患

36、问题，磷酸锂动力电池是目前全球唯一绝对安全的动力电池，在高温下稳定性可达400-500度，不会因过充、过放、温度过高、短路、撞击而产生爆炸或燃烧。综上所述本次纯电动方程式赛车采用磷酸铁锂动力电池。3.2.1.2 磷酸铁锂动力电池的计算根据续驶里程的要求电池的容量为4.5Ah，驱动电机的额定电压为210V。磷酸铁锂单体电池主要有18650、22650、26650、32650几种。根据计算体积和重量比较选择18650的比较合理。电池组将采用66个18650电池串联在一起保证电压为210V，然后3个这样串联体并联在一起形成4.5Ah的电容量。电池组的标称电压约为210V、标称容量约为4.5Ah、最大

37、充电电流约为4.5A、最大放电电流约为9A、重量约8kg、体积约25。但是赛车在平坦路面上以最高车速行驶时的功率为8.46kw，赛车驱动电机的额定电压为210V，故驱动电机所需的电流为40.29A。18650电池组提供的最大电流不满足要求。经过比较计算发现选用下表中电池较合理，表3-3 26650电池的技术参数电芯型号：OPC26650LR 3.2V 5000mAh标称电压：3.2V标称容量：5000 mAh内阻：15充电限制电压：3.65V放电截止电压：2.0V外形尺寸：Max 2040mm充电方式：恒流+恒压充电温度：045放电温度：-1060标准充电电流：5000 mA最大充电电流：75

38、00 mA标准放电电流：5000mA最大持续放电电流：15000mA重量：145g储存环境：温度-2060，湿度6025%经过比较26650单体电池的最大持续放电电流大可15A，因此赛车电池组采用先66个串联（提供电压210V）然后在由这样的三个并联（提供电流45A）提供赛车在最高车速工况下所需的大电流，如下图所示。图3-1 电池连接组合示意图3.2.2 高比功率储能设备的选择3.2.2.1 高比功率储能设备（1）所需的最大电流(3-3)为驱动电机的最大功率16kw、为驱动电机的额定电压192V；驱动电机的最大电流为83.33A。由于磷酸铁锂动力电池组的最大放电电压为45A远小于，因此需要一个

39、可以提供高比功率的储能装置。（2）高比功率装置的选择由于磷酸铁锂动力电池的比功率达不到纯电动方程式赛车的要求，故此需要一个高比功率的设备来满足纯电动方程式赛车的急加速，爬坡等大负荷的需要。超级电容有超高的比功率、充放电效率高、寿命长、体积小、质量轻、无污染、无噪音、结构简单、工作稳定范围宽等优点7，因此纯电动方程式赛车采用超级电容作为高比功率的能量储存设备。3.2.3 高比功率装置的计算3.2.3.1 高比功率装置的计算（1）赛车从0km/h到112.723km/h加速所需的功学院FSAE赛车从0米到75米加速时间为4秒。 由公式(3-4)可得平均加速度=9.375由牛顿第二定律(3-5)求得

40、平均加速阻力F=2812.5N汽车以平均加速度=9.375从0km/h到112.723km/h所需的加速时间(3-6)=3. 34s从0km/h到112.723km/h的行驶距离由公式(3-7)得出=52.29m加速所要的功W=FS，(3-8)W=147065.625J。由于纯电动方程式赛车驱动电机的最大牵引力达不到平均加速阻力F=2812.5N，作为纯电动方程式赛车也不需要盲目的去追求这么高的加速能力，而忽略了节约能量和经济性。而需要综合考虑。因此不能通过上面的方法来求出赛车加速所需的能量。3.2.3.2 纯电动方程式赛车加速度的计算图3-2 驱动电机特性曲线9（1）最大驱动力的计算单个4.

41、5kw轮毂驱动电机额定扭矩为90N/m，最大扭矩为160N/m，赛车采用两个轮毂电机，故扭矩和为320N/m。驱动力(3-9)为作用在驱动轮上的转矩，r为车轮半径。=1230.77N。（2）赛车达到最高车速时的滚动阻力和空气阻力的计算最高车速时的滚动阻力(3-10)式中W为赛车重力，f为滚动阻力系数（经计算得f=0.01472）得=41.40N最高车速时的空气阻力(3-11)式中为空气阻力系数0.41，A为迎风面积0.7626，为最高车速为117.62km/h。得=207.52N 。（3）赛车可用于加速的最大驱动力的计算赛车可用于加速的最大驱动力(3-12)，其中为赛车最高车速下的最大驱动力5

42、15.38N，为最高车速时的滚动阻力41.40N，为最高车速时的空气阻力204.52N求得=269.96N。（4）赛车达到最高时速时具有的加速能力的计算由牛顿定律(3-13)可得(3-14)其中为赛车可用于加速的最大驱动力388.16N，m为汽车质量，为赛车达到最高时速时具有的加速能力=0.9388，因为充分说明赛车还是具有加速到最高车速的能力，但是车速还受到驱动电机的转速限制，故最高车速只能为117.62km/h。（5）赛车平均加速度计算根据特性图可知，驱动电机在0到150r/min时的转矩最大为160Nm，赛车的行驶阻力（除去加速阻力）在赛车速度为0km/h时最小为41.40N（不考虑由静

43、摩擦到动摩擦出现的微小峰值）。赛车可用于加速的最大驱动力(3-15)式中为驱动电机的最大牵引力（1230.77N）, 为滚动阻力（41.40N），为空气阻力（在赛车刚启动为0）=1189.37N，由牛顿定律=4.14(3-16)，其中为赛车可用于加速的最大加速度，为赛车可用于加速的最大牵引力，m为汽车质量。赛车从0加速到最高车速117.62km/h的加速阻力变化，根据驱动电机的特性图看出随着车速的增加驱动电机的扭矩下降，空气阻力和车速的三次方成正比增加，滚动阻力基本不变化。因此(3-17)（为电机驱动力，为滚动阻力，为空气阻力，注赛车行驶的赛道平坦不考虑坡道阻力），再由(3-18)求出不同速度

44、下的加速度值，然后描点连线画一条加速度随速度变化的曲线。由于根据曲线求出平均加速度比较困难，故可以把简化为一条直线来计算。因此平均加速度(3-19)，其中为赛车在从0加速到最高车速间的平均加速度，为赛车达到最高时速时具有的加速能力（0.9388），为赛车可用于加速的最大加速度（4.14）。得=2.5394。3.2.3.3 赛车加速阻力的计算（1）赛车旋转质量换算系数的计算赛车的加速阻力为(3-20)，式中为赛车旋转质量换算系数，m为汽车质量287kg（kg），为行驶加速度（）值的选取：(3-21)式中为汽车旋转质量换算系数，m为汽车质量287kg（kg），为车轮的转动惯量（），为飞轮的转动惯量

45、，为变速器传动比，为主传动比。由于纯电动方程式赛车采用外转子轮毂电机直接驱动，传动比为1，没有安装发动机，因此不存在飞轮的转动惯量。故赛车质量换算系数的计算可以使用公式(3-22)计算。（2）的计算可以把赛车车轮简化成一个质量均匀的实心圆柱体来计算故(3-23)其中m为质量（前轮为车轮质量加上刹车系统质量5kg，后轮为车轮质量加上电机质量和刹车系统质量20kg），r为车轮半径0.26m。得=0.169 =0.676=1.69得=1.087（3） 赛车加速阻力的计算赛车的加速阻力为(3-24)式中为赛车旋转质量换算系数（1.087），m为汽车质量287kg（kg），为行驶加速度（取平均加速度为2

46、.5394）求得=792.21N（4）加速所需能量的计算赛车从0加速到最高车速所需的时间的计算：由(3-25)，其中为从0加速到最高车速所需的时间， 为赛车的最高车速（取32.67m/s），为赛车的初速度（取0）得=12.866s 。赛车从0加速到最高车速所需的路程：由(3-26)其中为赛车从0加速到最高车速所需的路程，为赛车的初速度（取0），为赛车从0加速到最高车速的平均加速度（取2.5394），t为从0加速到最高车速所需的时间（取12.866s）得=210.18m赛车加速所需能量的计算：由W=(3-27)其中W为赛车加速所需做的功，为加速所需的力（792.21N），为赛车从0加速到最高车速

47、所需的路程（取210.18m）。得W=166506.70J3.2.4 超级电容的计算表3-3 经初步计算选出型号为VEC 2R7 506 QG的超级电容。型号额定电压电容内阻（DC）最大电流自放电电流尺寸重量体积比能量VEC 2R7 256 QG2.7V25F2022.5A0.068mA（72h）16256.8g10.2ml5.0Wh/L由电容的能量(3-28)其中为电容组所含的能量，C为25F，U为210V（需要78个串联满足电压要求）可得78个单体电容器串联在一起的=551250J。由于VEC 2R7 256 QG电容的最大电流为22.5A，但是赛车在加速时需要的最大电流为85.71A而电

48、池可以提供的最大为45A，因此电容至少要提供40.71A的电流，因此需要并联2组这样的电容组，电容器要在赛车制动时储存再生制动的能量，需要预留一定的容量来储存这部分能量，只保证工作容量不低于0.5倍总容量，因此保证可用于工作的容量为551250J.工作容量完全满足赛车从0km/h到117.67km/h加速的能量。综上所述电容器组为并联两组串联了78个单体电容在一起的组合体，额定电压为210V、质量为2kg（1060.8g加上外壳及附件质量）、体积为0.0009984。本章小结本章从电池的比较与选择开始，介绍了不同电池的特性已经适用范围。根据FSAE比赛的相关规则计算出合理的蓄能装置容量，既满足

49、赛车比赛需要又充分体现了赛车的经济性和轻量化。并且针对赛车加速问题专门设计有超级电容，从而解决赛车提速不足的问题。4 充电器的设计纯电动方程式赛车出于对质量、布置空间和成本等多方面考虑，选择的储能装置容量较小，需要经常充电，来补充所消耗的能量，因此需要设计一个充电器来给电池补充能量。因为赛车充电器在赛车平时训练时使用频繁，为了保证能及时给赛车充电和便于携带，故设计一个车载充电器来给赛车充电。车载充电器采用交流220V普通照明电路给赛车充电，这样的设计使赛车充电不受电源限制，且可以在夜间电能比较富裕的时间对赛车充电这样达到节能的目的。由于赛车考虑到了节能和提高续驶里程等因素设计了再生制动系统，当

50、赛车需要减速时一部分能量通过再生制动系统转变成电能，这部分电能也需要充电器输送个储能装置。因此赛车需要一个可以直接使用220V照明电的外插充电器同时还要有再生制动时能给储能装置充电的车载充电器。41 锂离子电池充电方法4.1.1 常用的充电方法10常用的充电方法主要有以下几种：（1）恒压充电使用恒压源直接为电池充电，它是利用开口蓄电池在充满电时，充电电压突然跃升的现象设计的，因此它只是适用于开口蓄电池，而不能用这种方法为密封蓄电池充电。这种充电方法只考虑电池电压这一单一状态的变化，不能有效的反映电池的整体充电状况。它的起始充电电流过大，往往造成蓄电池的损坏。（2）恒流充电使用恒定的电流源为电池

51、充电，充电速率相对来讲都比较低。根据充电速率的大小，又可分为以下几种情况:浮充充电:又称涓流充电，一般充电速率在C/50以下。标准充电:一般充电速率在0.1C左右，充电时间大约在14H左右。快速充电:一般充电速率在0.3C以上，充电时间大约在3H左右。以上的快速充电与标准充电是相对而言的概念，并没有严格的划分。人们有时还根据速率的大小，将快速充电又划分出一般快速充电(3H到SH)和高速充电(小于3H)等。在恒流充电方式中，高速充电几乎是不可能的，一般的恒流充电也只适合于O.3C以下的充电速率。（3）先恒流后恒压充电法也称标准恒电流/定电压充电方法。这种充电方法是上述两者的简单结合，采用前期恒流

52、充电和后期恒压充电的方式，一方面避免了恒压充电刚开始时的充电电流过大，另一方面又避免了恒流充电时导致过充电的现象。（4）脉冲充电脉冲充电就是采用脉冲电流来对电池充电，他是一种快速充电法，其特点是先用脉冲电流对电池充电，然后让电池短时间大脉冲放电，在整个充电过程中是通过对电池的反复充、放电来完成的。脉冲充电法的优点是极大地缩短了充电的时间，有利于消除电池的记忆效应和恢复极板原来的晶体结构。其缺点是不能将电池完全充足，而且对完好的电池的寿命有不利的影响。4.1.2 赛车充电放式的选取由于赛车要求整车可靠性较高，容易维护。赛车的电池容量较低且充电时间比较充分，完全可以利用晚上用电量较低时对电池进行充

53、电以达到充分的利用资源的目的。故纯电动方程式赛车的车载充电器采用三段式充电的方式利用外电源对电池进行充电。42 赛车的充电要求4.2.1 赛车的充电要求根据赛车的使用条件，要求充电器可以在电池电量不足时或者制动再生时把产生的电能给蓄能装置充电，并且要求充电装置的质量轻、体积小、可靠性高等因素。图4-1 赛车的电力控制系统的组成与工作原理114.2.2 充电器方框图（1）充电器在外插电模式下的框架图图4-2 充电器在外插电模式下的框架图根据上图可知此模式下所需的模块有调压模块、整流模块、充电开关控制模块、过流检测模块、过压或欠压检测模块、控制管路模块等模块。（2）充电器在再生制动模式下的框架图图

54、4-3 充电器在再生制动模式下的框架图根据上图可知此模式下所需的模块有限压限流电路、调压模块、整流模块、充电开关控制模块等模块。4.2.3 充电器的分析（1）在充电器在外插电模式下赛车处于停止状态，充电器的外接电源接在220V单相交流照明电上，充电器先使用变压模块对220V进行降压，达到赛车电池的电压230V（最高限制240V，主要是考虑到对电动机的一个保护，驱动电机的最高耐电压为240V，大于240V有可能损坏驱动电机，同时也保护电池防止电池过充等），然后经过整流电路对经过变压后的交流电进行整流，使其成为直流12。然后送入充电开关控制模块，控制模块再根据控制管反馈回来的信号进行分析，然后根据需要对电池进行充电管理，控制模块控制着整个充电过程。由过流检测模块检测充电电流，给控制管模块提供信号，同时过压、欠压检测模块也将电池的信息反馈给控制管，再由控制管反馈给控制模块。（2）在充电器在制动再回收充电模式下赛车处于制动状态，充电器直