百公里加速2秒的電動車是如何打造的？

前一段時間，由蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院和盧塞恩應(yīng)用科學(xué)與藝術(shù)大學(xué)的學(xué)生打造的電動賽車Grimsel實(shí)現(xiàn)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)方程式賽車隊(duì)保持的紀(jì)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，電動車沒有換擋延遲，天生適合加速的優(yōu)點(diǎn)得到了完美展現(xiàn)。

為了普及電動賽車的專業(yè)知識，本文以荷蘭Delft理工大學(xué)打造的賽車DUT14為例，進(jìn)行初略介紹。資料整理自荷蘭DUT車隊(duì)官網(wǎng)。

Dut14賽車在比賽中

動力總成

Dut14賽車整備質(zhì)量僅為149.2Kg，百公里加速2.3秒。它采用4臺輪轂電機(jī)驅(qū)動，型號AMK DT5-14-10，可以實(shí)現(xiàn)牽引扭矩控制和制動能量回收，單臺最大功率27 kW，單臺最大扭矩28N.m。輪轂電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)包括：

1. 可以大幅度節(jié)省車內(nèi)空間，增加設(shè)計自由度，提升傳動效率；

2. 反應(yīng)速度快，驅(qū)動電機(jī)的響應(yīng)時間則僅僅為10ms,有利于良好的控制效果；

3. 大大改善車輛的行駛動力學(xué)性能，每個電機(jī)的驅(qū)動/制動力矩獨(dú)立可控，可以通過獨(dú)立控制各個電機(jī)的扭矩產(chǎn)生縱向力的方法來改變作用在汽車上的橫擺力矩，甚至可以直接控制各電動輪實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向差速和驅(qū)動防滑，從而有效提高車輛的操縱穩(wěn)定性。

Dut14的相關(guān)參數(shù)

輪轂電機(jī)對于輕量化和緊湊性要求很高，因此DUT車隊(duì)通過與德國電機(jī)供應(yīng)商AMK公司進(jìn)行合作，由DUT的學(xué)生們對于電機(jī)進(jìn)行改裝，自己設(shè)計電機(jī)的機(jī)械連接和冷卻系統(tǒng)。電動機(jī)的最大輸出功率受到了熱管理的限制，所以DUT車隊(duì)通過在外殼集成水冷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了最大功率輸出。

Dut14的懸架和電機(jī)

鋰電池的輸出電流是直流，但是由于交流電機(jī)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(jī)+逆變器的供電組合。選用的是AMK KwS-26電機(jī)控制器，應(yīng)用IGBT逆變器，通過帶寬控制。與四個輪轂電機(jī)對應(yīng)的四個電機(jī)控制器布置在駕駛員座位下面，效率超過98%。為了保證安全，由碳纖維殼體保護(hù)，通過CAN總線與ECU進(jìn)行通信。

DUT車隊(duì)還自主開發(fā)了BMS電池管理系統(tǒng)，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(yàn)室提供測試。電池組由288個單體電池組成，每兩個電池并聯(lián)，構(gòu)成144個電池組串聯(lián)，輸出85kW，制動能量回收承受功率50kW，能夠以最高600V的電壓吸收6.3kWh能量，電池系統(tǒng)總重量43kg，分割為兩個電池艙，在靠近整車重心的位置布置電池組，可以承受最大2個G的加速度。

汽車電子系統(tǒng)

ECU（整車控制單元）使用ARM Cortex M4微控制器，由C語言編程，可以分別控制每個電機(jī)的轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)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(zhuǎn)化為各電子系統(tǒng)所需要的不同電壓，當(dāng)所有子系統(tǒng)啟動的時候，這些變壓器的峰值負(fù)載可以達(dá)到250W。ECU的安全模塊也非常重要，車隊(duì)在設(shè)計時考慮了硬件級的安全設(shè)計，比如當(dāng)系統(tǒng)檢測到高壓電纜斷路時候，ECU自動切斷所有高壓電纜的電壓。

Dut14的全車電路布局

底盤

對于汽車最重要的可以說是底盤了，底盤需要支承、安裝汽車發(fā)動機(jī)及其各部件、總成，形成汽車的整體造型，保證正常行駛。

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

車身及底盤

車身的設(shè)計目標(biāo)是最大程度減重以提升性能，為此需要有限元分析強(qiáng)度和安全性，在CATIA進(jìn)行模擬裝配。此外，方程式賽車的車身設(shè)計還需要符合人機(jī)工程學(xué)要求，為了讓賽車手更加專注于賽道，駕駛艙、方向盤和賽車座椅在追求輕量化的同時還需要適應(yīng)賽車手的體型，因此采用了可調(diào)節(jié)的踏板箱，方向盤也要適應(yīng)每一個賽車手的手型以在行駛過程中提供足夠的握力。

賽車動力學(xué)

最近幾十年，電子控制系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在了賽車和乘用車上面，ABS、ESP和扭矩矢量控制不僅提升了性能，也改善了車輛的穩(wěn)定性，從DUT13賽車開始采用的四輪轂電機(jī)，為先進(jìn)的扭矩控制系統(tǒng)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(tǒng)，需要在Matlab/Simulink環(huán)境下建立整車動態(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，汽車也可以正常行駛。

賽車的剎車系統(tǒng)包括了液壓剎車系統(tǒng)和電磁能量回收剎車系統(tǒng)，四輪碟剎的剎車片材料值得詳細(xì)介紹：

為了追求更極端的輕量化和更高的性能，在制動盤上DUT車隊(duì)放棄了傳統(tǒng)的鑄鐵材料。經(jīng)過幾個月的仿真，討論和研究，DUT最終選用了名叫SupremEX? AMC225XE的金屬基復(fù)合材料，由鋁合金基體和SiC顆粒（碳化硅，俗稱金剛砂，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(dǎo)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(dǎo)熱性的優(yōu)點(diǎn)，使得剎車系統(tǒng)減重50-60%。但是鋁合金的耐磨性能比較差，因此需要通過加入硬質(zhì)顆粒來改善。通過對于制動系統(tǒng)的熱性能仿真，DUT發(fā)現(xiàn)鋁合金具有熔點(diǎn)低的缺點(diǎn)，但是由于四輪電機(jī)的加入，電磁制動效果大幅度提升，這個設(shè)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。各參賽車隊(duì)按照賽事規(guī)則和賽車制造標(biāo)準(zhǔn)，只要在一年的時間內(nèi)自行設(shè)計和制造出一輛小型賽車，并要能夠成功完成全部或部分賽事環(huán)節(jié)的比賽。事實(shí)上，這樣的比賽主要以培養(yǎng)大學(xué)生為主，同時也成為國內(nèi)優(yōu)秀汽車人才選拔的平臺，更有機(jī)會與國際青年汽車工程師進(jìn)行交流。

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

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