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电气系统分析和研究
张政 任峰 李龙海
长春师范大学工程学院 吉林省长春市 130000
摘 要： 本文以长春师范大学新时代电动方程式E11为研究对象，根据竞赛动态项目的要求，对汽车的电气系统进行了分析，并简要介绍了电动方程式的基本原理；介绍电机选择，电机驱动和控制，动力电池选择和电池管理系统以及CAN总线的通讯。一辆大学生电动方程式赛车的动力性，平顺性，操作稳定性都与电器系统有密不可分的关系，这也是在比赛中取得良好成绩的关键，因此对电动方程式赛车电气系统的分析尤为重要。
关键词：方程式；电气系统；动力电池；CAN通讯
1 大学生电动方程式赛车原理和构造
纯电动方程式赛车以大学生方程式油车
为基础，其结构与燃油车相似，如转向系统，
制动系统，传动系统，悬架和车架车壳等。区
别在于纯电动车辆从发动机驱动变为电动机驱
动，且能量源变成了锂电池。简单来说，纯电
动方程式赛车的动力由锂电池提供，驱动电机
转动，再通过变速器和差速器传递到轮边，实
线车辆跑动。如图1电动汽车原理图所示。
如图1所示，在车载能量系统中，电池
组用于提供能量来源，蓄电池充电系统是将
220V交流电转换为直流电输入到电池组中。
能量管理系统又称为电池管理系统，简称
BMS，起到监控各单体锂电芯工作情况的作
用。驱动电机系统是电动方程式赛车最重要的部分，包括VCU，IPO，电机和机械传动装置以及车轮。其中通过踏板传输的电信号到整车控制器中，再又电机控制器接受，来控制电机的转速的正反转，进而传递到轮边来适应不同的工况。辅助系统包括辅助动力源，空调和功率控制单元。
大学生电动方程式驱动系统布局的差异对赛车各方面的性能产生了重要影响。其中，我们采用了如图2所示结构布置，传动系统大大得到了简化，电机直接与输出轴相连，电机扭矩与转速直接通过半轴传递到车轮，提高传动效率，缺点是要求电机保证控制精度和良好的响应速度。
2 电动机及其参数选择
电动机的功能是将电池产生的电能转化
为机械能，然后再通过半轴传递到车轮边缘。
汽车在实际行驶时，常伴随着启动，制动，
怠速，停车等复杂工况出现，在不同的工况
下对电机性能的要求也有不同，在汽车加速
行驶时，要求电机具有高转速达到车速提高
的目的，当汽车上坡时，又希望电机具有低
扭矩从而完成顺利上坡的目的。因此，比较
目前市场上常用的驱动电机类型，我们最终
选择了永磁同步电机。
具体参数如表1所示。
根据仿真结果显示电机额定功率为72kw
最大功率为85kw，额定转矩为250Nm最大
转矩为280Nm。
图1 电动汽车原理图
表1 E11电机常用参数
电连接机械连接
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3 电池及参数选择
影响电动汽车的因素有很多，例如功率密度，能量密度，成本和使用寿命等，能量密度决定汽车行驶里程，功率密度决定汽车动力性能，因此选择适合的动力电池非常重要。动力电池的选择优先考虑到驱动电机的匹配性，对比市场上的各种动力电池，我们最后选择了单体电压为3.7V，单体容量为12Ah，最大放电
功率为12C 的三元锂电池，整车电池组由单体电芯通过串并联组合，经过计算最后选用170
块电芯共5个电池组，2并85串，总能量为7.548kwh。动力电池内部如图2所示。
4 安全回路
电器方面根据比赛规则要求，XLA-和XLA+分别接高压正负极，kl.31b 和kl.15为供电电源正负极，E 和KE 均接地，并且要单独分别接地。MHS，MLS 和OKHS 为OUTPUT 端口，输出监测信号。连接所使用
的线束，连接器和保护外壳均为专门设计并且有防水保护。如图3所示。
5 整车控制系统与低压辅助系统
它的主要功能是根据整车运行状况，并根据驾驶员意图和赛车行驶状态计算目标转矩，保证赛车的动力性和行驶稳定性；同时监测整车各部分的运行状态，使得当赛车出现故障时能及时采取响应措施，保护车手及赛车的安全。在整车上采用2路CAN 网络进行通信。CAN1连接到车辆控制器和电机控制器，CAN2用于传感器数据传输。如图4所示。
参考文献：
[1]吴子亮，应龙，郭小皓.FSEC 电动方程式赛车整车通讯与安全回路设计[J].机电技术，2019（02）：86-88.
[2]张京明，陈磊，张晋华，崔淑梅.FSAE 电动赛车再生制动系统开发[J].哈尔滨工业
大学学报，2017，49（01）：108-113.[3]陈晨. FSAE 纯电动赛车制动能量回收系统研究[D].哈尔滨工业大学，2015.
[4]邾远. FSC 纯电动方程式赛车动力系统参
数匹配和电子差速控制研究[D].合肥工业
大学，2014.
[5]李金三. 大学生方程式赛车总布置设计及优化[D].华南理工大学，2011.
图2 E11电池箱内部电路图
图3 IMD接线图
能量计
BMS
Battery Pack
图4 整车控制系统原理图
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