百公里加速2秒的電動(dòng)車(chē)是如何打造的？

前一段時(shí)間，由蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院和盧塞恩應用科學(xué)與藝術(shù)大學(xué)的學(xué)生打造的電動(dòng)賽車(chē)Grimsel實(shí)現了零到百公里加速1.785秒，打破了此前由荷蘭Delft理工大學(xué)方程式賽車(chē)隊保持的紀錄——2.134秒。作為參考，布加迪威航16.4 Super Sport百公里加速2.46秒，電動(dòng)車(chē)沒(méi)有換擋延遲，天生適合加速的優(yōu)點(diǎn)得到了完美展現。

為了普及電動(dòng)賽車(chē)的專(zhuān)業(yè)知識，本文以荷蘭Delft理工大學(xué)打造的賽車(chē)DUT14為例，進(jìn)行初略介紹。資料整理自荷蘭DUT車(chē)隊官網(wǎng)。

Dut14賽車(chē)在比賽中

動(dòng)力總成

Dut14賽車(chē)整備質(zhì)量?jì)H為149.2Kg，百公里加速2.3秒。它采用4臺輪轂電機驅動(dòng)，型號AMK DT5-14-10，可以實(shí)現牽引扭矩控制和制動(dòng)能量回收，單臺最大功率27 kW，單臺最大扭矩28N.m。輪轂電機的優(yōu)點(diǎn)包括：

1. 可以大幅度節省車(chē)內空間，增加設計自由度，提升傳動(dòng)效率；

2. 反應速度快，驅動(dòng)電機的響應時(shí)間則僅僅為10ms,有利于良好的控制效果；

3. 大大改善車(chē)輛的行駛動(dòng)力學(xué)性能，每個(gè)電機的驅動(dòng)/制動(dòng)力矩獨立可控，可以通過(guò)獨立控制各個(gè)電機的扭矩產(chǎn)生縱向力的方法來(lái)改變作用在汽車(chē)上的橫擺力矩，甚至可以直接控制各電動(dòng)輪實(shí)現轉向差速和驅動(dòng)防滑，從而有效提高車(chē)輛的操縱穩定性。

Dut14的相關(guān)參數

輪轂電機對于輕量化和緊湊性要求很高，因此DUT車(chē)隊通過(guò)與德國電機供應商AMK公司進(jìn)行合作，由DUT的學(xué)生們對于電機進(jìn)行改裝，自己設計電機的機械連接和冷卻系統。電動(dòng)機的最大輸出功率受到了熱管理的限制，所以DUT車(chē)隊通過(guò)在外殼集成水冷系統，實(shí)現了最大功率輸出。

Dut14的懸架和電機

鋰電池的輸出電流是直流，但是由于交流電機的功率和輕量化性能更為優(yōu)秀，所以最終的方案是交流電機+逆變器的供電組合。選用的是AMK KwS-26電機控制器，應用IGBT逆變器，通過(guò)帶寬控制。與四個(gè)輪轂電機對應的四個(gè)電機控制器布置在駕駛員座位下面，效率超過(guò)98%。為了保證安全，由碳纖維殼體保護，通過(guò)CAN總線(xiàn)與ECU進(jìn)行通信。

DUT車(chē)隊還自主開(kāi)發(fā)了BMS電池管理系統，鋰聚合物電池由深圳鴻星技術(shù)股份有限公司（Melasta）提供，由荷蘭KEMA實(shí)驗室提供測試。電池組由288個(gè)單體電池組成，每?jì)蓚€(gè)電池并聯(lián)，構成144個(gè)電池組串聯(lián)，輸出85kW，制動(dòng)能量回收承受功率50kW，能夠以最高600V的電壓吸收6.3kWh能量，電池系統總重量43kg，分割為兩個(gè)電池艙，在靠近整車(chē)重心的位置布置電池組，可以承受最大2個(gè)G的加速度。

汽車(chē)電子系統

ECU（整車(chē)控制單元）使用ARM Cortex M4微控制器，由C語(yǔ)言編程，可以分別控制每個(gè)電機的轉速。系統包括功率管理模塊，安全模塊，控制模塊，其中功率管理模塊需要把相對較低的電池電壓轉化為各電子系統所需要的不同電壓，當所有子系統啟動(dòng)的時(shí)候，這些變壓器的峰值負載可以達到250W。ECU的安全模塊也非常重要，車(chē)隊在設計時(shí)考慮了硬件級的安全設計，比如當系統檢測到高壓電纜斷路時(shí)候，ECU自動(dòng)切斷所有高壓電纜的電壓。

Dut14的全車(chē)電路布局

底盤(pán)

對于汽車(chē)最重要的可以說(shuō)是底盤(pán)了，底盤(pán)需要支承、安裝汽車(chē)發(fā)動(dòng)機及其各部件、總成，形成汽車(chē)的整體造型，保證正常行駛。

DUT14賽車(chē)采用碳纖維單體殼車(chē)身，由TeXtreme公司提供超輕絲束展開(kāi)碳纖維增強材料，使其復合材料部件的重量減輕20%到30%。車(chē)身需要滿(mǎn)足固定所有零部件的精度，同時(shí)還要保證駕駛員的安全性要求，這些都由學(xué)生隊員自己完成設計和制作。

車(chē)身及底盤(pán)

車(chē)身的設計目標是最大程度減重以提升性能，為此需要有限元分析強度和安全性，在CATIA進(jìn)行模擬裝配。此外，方程式賽車(chē)的車(chē)身設計還需要符合人機工程學(xué)要求，為了讓賽車(chē)手更加專(zhuān)注于賽道，駕駛艙、方向盤(pán)和賽車(chē)座椅在追求輕量化的同時(shí)還需要適應賽車(chē)手的體型，因此采用了可調節的踏板箱，方向盤(pán)也要適應每一個(gè)賽車(chē)手的手型以在行駛過(guò)程中提供足夠的握力。

賽車(chē)動(dòng)力學(xué)

最近幾十年，電子控制系統已經(jīng)廣泛應用在了賽車(chē)和乘用車(chē)上面，ABS、ESP和扭矩矢量控制不僅提升了性能，也改善了車(chē)輛的穩定性，從DUT13賽車(chē)開(kāi)始采用的四輪轂電機，為先進(jìn)的扭矩控制系統提供了廣闊的發(fā)揮空間。

DUT14配備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統，需要在Matlab/Simulink環(huán)境下建立整車(chē)動(dòng)態(tài)模型。

控制器可以檢測到傳感器失效，并且進(jìn)行處置。即使傳感器失效，汽車(chē)也可以正常行駛。

賽車(chē)的剎車(chē)系統包括了液壓剎車(chē)系統和電磁能量回收剎車(chē)系統，四輪碟剎的剎車(chē)片材料值得詳細介紹：

為了追求更極端的輕量化和更高的性能，在制動(dòng)盤(pán)上DUT車(chē)隊放棄了傳統的鑄鐵材料。經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的仿真，討論和研究，DUT最終選用了名叫SupremEX? AMC225XE的金屬基復合材料，由鋁合金基體和SiC顆粒（碳化硅，俗稱(chēng)金剛砂，莫氏硬度為9.5級，僅次于世界上最硬的金剛石，具有優(yōu)良的導熱性能）組成，相對于常用的灰鑄鐵，鋁合金基體具有低密度和高導熱性的優(yōu)點(diǎn)，使得剎車(chē)系統減重50-60%。但是鋁合金的耐磨性能比較差，因此需要通過(guò)加入硬質(zhì)顆粒來(lái)改善。通過(guò)對于制動(dòng)系統的熱性能仿真，DUT發(fā)現鋁合金具有熔點(diǎn)低的缺點(diǎn)，但是由于四輪電機的加入，電磁制動(dòng)效果大幅度提升，這個(gè)設計才具有了可行性。

其實(shí)，在中國也有一群年輕人在打造大學(xué)生方程式賽車(chē)。各參賽車(chē)隊按照賽事規則和賽車(chē)制造標準，只要在一年的時(shí)間內自行設計和制造出一輛小型賽車(chē)，并要能夠成功完成全部或部分賽事環(huán)節的比賽。事實(shí)上，這樣的比賽主要以培養大學(xué)生為主，同時(shí)也成為國內優(yōu)秀汽車(chē)人才選拔的平臺，更有機會(huì )與國際青年汽車(chē)工程師進(jìn)行交流。

例如2014年10月在湖北舉辦的第五屆中國大學(xué)生方程式汽車(chē)大賽，有來(lái)自近70所高校的60支燃油賽車(chē)隊和20支純電動(dòng)賽車(chē)隊，共計2000余名師生參賽，其中不乏德國斯圖加特大學(xué)純電動(dòng)賽車(chē)隊、德國卡爾斯魯厄理工大學(xué)燃油賽車(chē)隊等國際頂級強隊。在比賽中，由北京理工大學(xué)的學(xué)生打造的純電動(dòng)方程式賽車(chē)“銀鯊三”脫穎而出，取得了純電動(dòng)組亞軍（同時(shí)為國內高校冠軍）。

“銀鯊三”賽車(chē)采用了自主設計的電池系統和整車(chē)控制器，設計了快速充電系統使得充電時(shí)間減少至之前的20%—30%，傳動(dòng)采用了自主設計行星輪減速器；整車(chē)峰值功率85KW，峰值扭矩為175N?m，整車(chē)整備質(zhì)量230KG，百公里加速約3.6s，最大側向加速度約2G。