百公里加速2秒的电动车是如何打造的?

车云网 啸云

前一段时间,由苏黎世联邦理工学院和卢塞恩应用科学与艺术大学的学生打造的电动赛车Grimsel实现了零到百公里加速1.785秒,打破了此前由荷兰Delft理工大学方程式赛车队保持的纪录——2.134秒。作为参考,布加迪威航16.4 Super Sport百公里加速2.46秒,电动车没有换挡延迟,天生适合加速的优点得到了完美展现。

为了普及电动赛车的专业知识,本文以荷兰Delft理工大学打造的赛车DUT14为例,进行初略介绍。资料整理自荷兰DUT车队官网。

Dut14赛车在比赛中

动力总成

Dut14赛车整备质量仅为149.2Kg,百公里加速2.3秒。它采用4台轮毂电机驱动,型号AMK DT5-14-10,可以实现牵引扭矩控制和制动能量回收,单台最大功率27 kW,单台最大扭矩28N.m。轮毂电机的优点包括:

1. 可以大幅度节省车内空间,增加设计自由度,提升传动效率;

2. 反应速度快,驱动电机的响应时间则仅仅为10ms,有利于良好的控制效果;

3. 大大改善车辆的行驶动力学性能,每个电机的驱动/制动力矩独立可控,可以通过独立控制各个电机的扭矩产生纵向力的方法来改变作用在汽车上的横摆力矩,甚至可以直接控制各电动轮实现转向差速和驱动防滑,从而有效提高车辆的操纵稳定性。

Dut14的相关参数

轮毂电机对于轻量化和紧凑性要求很高,因此DUT车队通过与德国电机供应商AMK公司进行合作,由DUT的学生们对于电机进行改装,自己设计电机的机械连接和冷却系统。电动机的最大输出功率受到了热管理的限制,所以DUT车队通过在外壳集成水冷系统,实现了最大功率输出。

Dut14的悬架和电机

锂电池的输出电流是直流,但是由于交流电机的功率和轻量化性能更为优秀,所以最终的方案是交流电机+逆变器的供电组合。选用的是AMK KwS-26电机控制器,应用IGBT逆变器,通过带宽控制。与四个轮毂电机对应的四个电机控制器布置在驾驶员座位下面,效率超过98%。为了保证安全,由碳纤维壳体保护,通过CAN总线与ECU进行通信。

DUT车队还自主开发了BMS电池管理系统,锂聚合物电池由深圳鸿星技术股份有限公司(Melasta)提供,由荷兰KEMA实验室提供测试。电池组由288个单体电池组成,每两个电池并联,构成144个电池组串联,输出85kW,制动能量回收承受功率50kW,能够以最高600V的电压吸收6.3kWh能量,电池系统总重量43kg,分割为两个电池舱,在靠近整车重心的位置布置电池组,可以承受最大2个G的加速度。

汽车电子系统

ECU(整车控制单元)使用ARM Cortex M4微控制器,由C语言编程,可以分别控制每个电机的转速。系统包括功率管理模块,安全模块,控制模块,其中功率管理模块需要把相对较低的电池电压转化为各电子系统所需要的不同电压,当所有子系统启动的时候,这些变压器的峰值负载可以达到250W。ECU的安全模块也非常重要,车队在设计时考虑了硬件级的安全设计,比如当系统检测到高压电缆断路时候,ECU自动切断所有高压电缆的电压。

Dut14的全车电路布局

底盘

对于汽车最重要的可以说是底盘了,底盘需要支承、安装汽车发动机及其各部件、总成,形成汽车的整体造型,保证正常行驶。

DUT14赛车采用碳纤维单体壳车身,由TeXtreme公司提供超轻丝束展开碳纤维增强材料,使其复合材料部件的重量减轻20%到30%。车身需要满足固定所有零部件的精度,同时还要保证驾驶员的安全性要求,这些都由学生队员自己完成设计和制作。

车身及底盘

车身的设计目标是最大程度减重以提升性能,为此需要有限元分析强度和安全性,在CATIA进行模拟装配。此外,方程式赛车的车身设计还需要符合人机工程学要求,为了让赛车手更加专注于赛道,驾驶舱、方向盘和赛车座椅在追求轻量化的同时还需要适应赛车手的体型,因此采用了可调节的踏板箱,方向盘也要适应每一个赛车手的手型以在行驶过程中提供足够的握力。

赛车动力学

最近几十年,电子控制系统已经广泛应用在了赛车和乘用车上面,ABS、ESP和扭矩矢量控制不仅提升了性能,也改善了车辆的稳定性,从DUT13赛车开始采用的四轮毂电机,为先进的扭矩控制系统提供了广阔的发挥空间。

DUT14配备了包括扭矩矢量控制,起跑控制,ABS,偏航控制等的多重控制系统,需要在Matlab/Simulink环境下建立整车动态模型。

控制器可以检测到传感器失效,并且进行处置。即使传感器失效,汽车也可以正常行驶。

赛车的刹车系统包括了液压刹车系统和电磁能量回收刹车系统,四轮碟刹的刹车片材料值得详细介绍:

为了追求更极端的轻量化和更高的性能,在制动盘上DUT车队放弃了传统的铸铁材料。经过几个月的仿真,讨论和研究,DUT最终选用了名叫SupremEX® AMC225XE的金属基复合材料,由铝合金基体和SiC颗粒(碳化硅,俗称金刚砂,莫氏硬度为9.5级,仅次于世界上最硬的金刚石,具有优良的导热性能)组成,相对于常用的灰铸铁,铝合金基体具有低密度和高导热性的优点,使得刹车系统减重50-60%。但是铝合金的耐磨性能比较差,因此需要通过加入硬质颗粒来改善。通过对于制动系统的热性能仿真,DUT发现铝合金具有熔点低的缺点,但是由于四轮电机的加入,电磁制动效果大幅度提升,这个设计才具有了可行性。

其实,在中国也有一群年轻人在打造大学生方程式赛车。各参赛车队按照赛事规则和赛车制造标准,只要在一年的时间内自行设计和制造出一辆小型赛车,并要能够成功完成全部或部分赛事环节的比赛。事实上,这样的比赛主要以培养大学生为主,同时也成为国内优秀汽车人才选拔的平台,更有机会与国际青年汽车工程师进行交流。

例如2014年10月在湖北举办的第五届中国大学生方程式汽车大赛,有来自近70所高校的60支燃油赛车队和20支纯电动赛车队,共计2000余名师生参赛,其中不乏德国斯图加特大学纯电动赛车队、德国卡尔斯鲁厄理工大学燃油赛车队等国际顶级强队。在比赛中,由北京理工大学的学生打造的纯电动方程式赛车“银鲨三”脱颖而出,取得了纯电动组亚军(同时为国内高校冠军)。

“银鲨三”赛车采用了自主设计的电池系统和整车控制器,设计了快速充电系统使得充电时间减少至之前的20%—30%,传动采用了自主设计行星轮减速器;整车峰值功率85KW,峰值扭矩为175N•m,整车整备质量230KG,百公里加速约3.6s,最大侧向加速度约2G。

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