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摘要
大学生方程式汽车大赛（Formula Student Electric China, FSEC）对赛车的动力性、经济性和可靠性提出了极高要求。电驱系统作为电动赛车的核心，其匹配设计的优劣直接决定了整车性能。本文系统阐述了FSEC赛车电驱系统的匹配设计流程与方法。首先，基于FSEC赛事规则和动态赛项（如75米直线加速、8字绕环、高速避障、耐久赛）的性能需求，确立了以动力性为主、兼顾效率的总体设计目标。其次，通过建立整车动力学模型，分析了不同赛况下的功率与转矩需求，为关键部件选型提供了理论依据。在此基础上，重点论述了驱动电机、电机控制器、减速机构及动力电池等核心部件的参数匹配原则与选型策略，强调了各部件之间性能耦合与能量管理的重要性。最后，提出了通过仿真分析与台架测试相结合的验证方法，以确保匹配方案的有效性。本研究为FSEC赛车电驱系统的高效、可靠设计提供了系统的工程实践指导。
关键词： FSEC；电动赛车；电驱系统；匹配设计；驱动电机；动力电池；系统仿真
一、引言
大学生方程式汽车大赛（FSEC）是一项极具挑战性的工程教育赛事，旨在培养工科学生的综合设计、制造和管理能力。参赛车队需在一年内设计、制造并调试一辆小型单座方程式赛车。电动组（FSEC）相较于燃油组，其动力系统更为复杂，涉及电驱动、电池管理、能量回收等前沿技术。电驱系统作为将电能转化为车轮驱动力的核心单元，其性能直接决定了赛车在加速、操控、续航等方面的表现。
FSEC赛事的独特性对电驱系统设计提出了特殊要求：首先，赛事包含多种动态项目，如追求极致加速的75米直线加速赛、考验低速稳定性的8字绕环赛、综合评估操控性的高速避障赛以及全面检验车辆可靠性与能效的22公里耐久赛。这些赛项对电驱系统的输出特性（峰值功率/转矩、恒功率转速范围）、效率分布及可靠性要求各异，甚至存在矛盾。其次，赛事规则对整车质量、成本、安全性有严格限制，要求在有限的预算和重量下实现最优性能。因此，电驱系统的匹配设计绝非简单的部件堆砌，而是一个需要综合考虑性能目标、规则约束、部件特性及系统集成的复杂系统工程问题。
目前，国内FSEC车队在电驱系统设计中常面临诸多挑战：部件选型依赖经验或简单仿制，缺乏系统的需求分析与匹配计算；对电机、控制器、减速器、电池之间的动态耦合关系认识不足；系统效率优化和热管理考虑不周，导致耐久赛中出现性能衰减或故障。针对这些问题，本文旨在构建一套系统化的FSEC赛车电驱系统匹配设计方法，从需求分析、参数匹配到验证优化，为车队提供清晰、实用的技术路径，以期提升赛车的综合竞争力。
二、FSEC赛车电驱系统匹配设计总体框架
电驱系统匹配设计是一个自上而下、迭代优化的过程。其总体框架如图1所示（略），主要包括以下四个阶段：
需求分析阶段： 深入解读赛事规则，分析各动态赛项对动力系统的核心需求，确立总体设计目标与约束条件（如质量、尺寸、成本）。
参数匹配阶段： 建立整车动力学模型，计算满足性能需求的驱动轮边功率与转矩特性。以此为基础，进行驱动电机、控制器、减速机构及动力电池的参数匹配与选型。
系统集成与仿真阶段： 将选定的部件参数输入整车仿真模型（如AVL Cruise、MATLAB/Simulink），进行多工况仿真，评估匹配方案的可行性与性能潜力，并针对薄弱环节进行优化。
测试验证与优化阶段： 通过台架测试验证关键部件性能，通过实车测试验证系统集成效果，并根据测试数据进行参数微调，完成最终匹配。
三、基于赛事需求的性能目标确立
赛事规则与约束分析
FSEC规则是设计的首要依据。需重点关注：（1）对电池包总电压、最大工作电流的限制；（2）对驱动系统绝缘、安全互锁的要求；（3）整车最小质量、轴距、轮距等尺寸约束；（4）成本报告要求。这些规则直接限定了电驱系统的设计边界。
动态赛项性能需求分解
不同赛项对电驱系统的需求侧重点不同：
* 75米直线加速： 核心需求是最大轮边驱动力，即在附着条件允许下，尽可能大的起步加速度。这要求电驱系统在低速区能提供高转矩，且电机和控制器能承受短时大电流冲击。
* 8字绕环： 需求稳定的低速转矩和精细的转矩控制，以保证车速平稳，避免失控。对系统低速效率有一定要求。
* 高速避障： 综合性能要求最高。既需要良好的中低速加速能力出弯，也需要较高的极速在直道追赶。要求电驱系统具有宽广的恒功率调速范围，保证在高车速下仍有加速能力。
* 耐久赛（22公里）： 这是对系统效率、可靠性和热管理的终极考验。要求电驱系统在典型工况下（频繁加减速）具有高平均效率，且散热系统能保证电机、控制器在长时间高强度工作下不出现热降额或故障。
综合以上分析，FSEC赛车电驱系统的设计目标应确定为：在规则约束下，优先满足加速和高速避障所需的动力性，同时确保耐久赛中的高效率和热稳定性。
四、整车动力学建模与驱动需求计算
为量化驱动需求，需建立整车纵向动力学模型。赛车行驶时需克服的阻力包括：滚动阻力F_f、空气阻力F_w、坡度阻力F_i（赛道坡度通常很小，可忽略）和加速阻力F_j。
驱动力 F_t = F_f + F_w + F_i + F_j
其中：
* F_f = m * g * f (m: 整车质量，g: 重力加速度，f: 滚动阻力系数)
* F_w = 1/2 * ρ * C_d * A * v^2 (ρ: 空气密度，C_d: 风阻系数，A: 迎风面积，v: 车速)
* F_j = δ * m * a (δ: 旋转质量换算系数，a: 加速度)
根据目标性能（如0-75km/h加速时间、最高车速），可反推出所需的最大驱动力F_tmax和对应功率P_max。同时，需绘制在不同车速和加速度下的功率-转矩需求图谱，作为部件选型的输入。
五、电驱系统关键部件匹配设计
驱动电机选型与参数匹配
电机是动力输出的源头。FSEC常用永磁同步电机（PMSM）或感应电机（IM）。PMSM具有高功率密度、高效率的优势，是目前主流选择。
* 峰值功率与额定功率： 电机峰值功率应大于等于计算所得的最大需求功率P_max，并留有一定余量（如10-15%）。额定功率需满足耐久赛平均功率需求，并考虑散热能力。
* 峰值转矩与额定转矩： 峰值转矩需满足最大起步加速度需求。额定转矩与基速以下恒转矩运行区相关。
* 最高转速与恒功率范围： 最高转速由目标最高车速和传动比决定。宽广的恒功率调速范围（即高转速下仍能输出较大功率）对高速加速性能至关重要。通常通过弱磁控制实现。
* 外形尺寸与重量： 在满足性能前提下，选择体积小、重量轻的电机，有利于整车轻量化和布置。
电机控制器匹配
控制器负责驱动电机，其性能直接影响系统响应和效率。
* 峰值/连续电流能力： 控制器峰值输出电流必须大于等于电机峰值电流需求，以满足加速和爬坡要求。连续电流能力需与电机额定电流和散热条件匹配。
* 直流母线电压范围： 控制器的耐压范围须覆盖电池包的工作电压，并留有余量。
* 开关频率与效率： 较高的开关频率有助于降低电流谐波，改善控制性能，但会导致开关损耗增加。需在性能和效率间权衡。控制器的效率MAP图至关重要，应选择高效区与常用工况区重合度高的产品。
* 控制功能与通信： 支持矢量控制、弱磁控制，具备完善的保护功能（过流、过压、过热等）。通信接口（如CAN）需与整车控制系统兼容。
减速机构设计
电动赛车通常采用固定速比减速器，原因在于电机具有宽广的调速范围，可简化结构、减轻重量。
* 传动比计算： 传动比i的选择是权衡加速性和极速的关键。原则是使电机在目标最高车速时运行在最高效率点附近或恒功率区末端。可用公式：i = (电机最高效率点转速 * 车轮滚动半径) / (最高车速 * 传动效率)。需进行多方案仿真对比。
* 传动形式选择： 常用链传动或齿轮传动。链传动结构简单、成本低、易调整速比，但需考虑润滑和磨损。齿轮传动效率高、结构紧凑、寿命长，但加工要求高、速比固定。
* 效率与润滑： 减速机构自身存在传动损失，需选择高效率产品并设计良好的润滑冷却方案。
动力电池系统匹配
电池包是能量来源，其特性制约着电驱系统的发挥。
* 电压等级： 在规则允许的电压范围内，较高的电压有助于降低系统电流，减少线束损耗和热负荷。常见选择为400-600V DC。
* 峰值/持续放电功率： 电池包的峰值放电功率必须大于电驱系统（电机+控制器）的峰值输入功率需求。持续放电功率需满足耐久赛的平均功率需求，并与热管理能力挂钩。
* 能量容量： 容量由耐久赛能耗估算决定。需根据仿真得到的耐久赛能耗，并考虑安全余量（如20%）来确定总能量（kWh）。容量过大导致重量增加，影响加速和操控。
* 电芯选型与成组技术： 选择高能量密度、高功率密度、低内阻的动力电芯（如三元锂）。通过串并联实现目标电压和容量，需精心设计电池管理系统（BMS）确保电芯一致性、安全性和寿命。
六、系统集成、仿真与验证
系统集成考虑
* 能量流优化：
分析电机、控制器、电池在典型工况下的效率特性，通过控制策略优化，使系统尽可能工作在高效率区。
* 热管理集成： 电机、控制器、电池的冷却系统需统一规划。常用液冷方案，需设计合理的流道和散热器，确保高温环境下性能稳定。
* 控制策略集成： 整车控制器（VCU）需协调电机转矩请求、能量回收、热管理等功能，实现性能与效率的最佳平衡。
仿真分析
在实物制造前，使用仿真软件（如AVL Cruise, GT-Suite, Simulink）搭建整车模型，导入匹配的部件参数和外特性MAP图。进行加速、最高车速、爬坡、耐久赛等工况仿真，预测性能指标（加速时间、极速、能耗），验证匹配方案是否达标，并优化传动比等参数。
测试验证
* 台架测试： 对电机、控制器、电池包进行单独性能测试和耐久测试，验证其是否达到标称参数和可靠性要求。
* 实车测试： 整车装配完成后，进行逐步深入的测试，从基本功能检查到性能测试（加速、极速），再到模拟赛道的耐久测试。通过数据采集系统记录电压、电流、温度、转速等关键参数，分析与仿真结果的差异，并对匹配设计进行最终校准和优化。
七、结论
FSEC赛车电驱系统的匹配设计是一个多目标、多约束的复杂优化问题。成功的关键在于：
1. 始于精准的需求分析： 深刻理解赛事规则和各动态赛项对动力系统的真实需求。
2. 成于科学的参数匹配： 基于整车动力学模型，进行驱动电机、控制器、减速机构、动力电池等关键部件的参数耦合匹配，确保系统性能最优。
3. 终于系统的验证优化： 通过仿真预测和实车测试，不断迭代优化匹配方案。
本文提出的系统化设计方法，强调了从整体性能目标出发，贯穿需求分析、参数匹配、集成仿真到测试验证的全过程，有助于FSEC车队更加科学、高效地完成电驱系统设计，打造出更具竞争力的赛车。未来，随着电机电控技术、电池技术和优化算法的发展，FSEC赛车的电驱系统匹配将向着更高效率、更优控制、更智能化的方向持续演进。