純電動(dòng)還是混合動(dòng)力？一直是業(yè)內(nèi)爭(zhēng)議不斷的話題……今年四月份大學(xué)生方程式大賽奧地利站、匈牙利站、捷克站等五國組委會(huì)共同發(fā)布了混合動(dòng)力大學(xué)生方程式的技術(shù)規(guī)則，而在剛剛過去的十月份，德國站也正式將混合動(dòng)力部分寫進(jìn)了世界大學(xué)生方程式規(guī)則中。

本期強(qiáng)強(qiáng)對(duì)話中，我們邀請(qǐng)了來自中國汽車工程學(xué)會(huì)、中國大學(xué)生方程式系列賽事組委會(huì)的技術(shù)官鄭浩，結(jié)合他在大學(xué)生方程式大賽德國賽中的所見所聞和他自己的車隊(duì)經(jīng)歷，談一談混合動(dòng)力大學(xué)生方程式的設(shè)計(jì)思路。

鄭浩畢業(yè)于武漢理工大學(xué)，大一時(shí)就加入了武漢理工大學(xué)燃油方程式車隊(duì)，之后到大四在車隊(duì)中先后負(fù)責(zé)傳動(dòng)、轉(zhuǎn)向、商業(yè)組的工作。他在本科畢業(yè)設(shè)計(jì)階段完成了基于并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)的能量管理及整車動(dòng)力控制策略研究，獲得了校級(jí)優(yōu)秀的好成績(jī)；畢業(yè)后入職中國汽車工程學(xué)會(huì)，擔(dān)任中國大學(xué)生方程式系列賽事組委會(huì)的技術(shù)官，負(fù)責(zé)車隊(duì)技術(shù)文件審核、車隊(duì)運(yùn)營管理等工作。下面是來自鄭浩的分享:

前言

根據(jù)《節(jié)能與新能源技術(shù)路線圖?2.0》以及各大車企內(nèi)燃機(jī)停售時(shí)間表可知，相當(dāng)多的車企選擇在2035年前后停止銷售純內(nèi)燃機(jī)的車型。新能源將會(huì)是勢(shì)在必行的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。但在新能源技術(shù)的細(xì)分路線上，不同國家、不同車企也有各自的路線分歧。 純電動(dòng)還是混合動(dòng)力？一直在業(yè)內(nèi)爭(zhēng)議不斷。很多人認(rèn)為混合動(dòng)力汽車是代表“落后”的折衷技術(shù)，純電動(dòng)才是代表清潔動(dòng)力源的“未來”技術(shù)。不過我們無法否認(rèn)的是，當(dāng)前純電動(dòng)技術(shù)依然有相當(dāng)多的技術(shù)痛點(diǎn)需要克服，例如充電速率、城市電容量、全工況的使用場(chǎng)景等。內(nèi)燃機(jī)技術(shù)在短期時(shí)間內(nèi)不會(huì)消亡，依然會(huì)長期存在，然而可以讓內(nèi)燃機(jī)技術(shù)煥發(fā)生機(jī)的，則是以混合動(dòng)力技術(shù)和零碳內(nèi)燃機(jī)為首的可持續(xù)能源技術(shù)方案。 ? 武漢理工大學(xué)18-22賽季傳動(dòng)組組長合影（右二為鄭浩） 大學(xué)生方程式競(jìng)賽混合動(dòng)力規(guī)則發(fā)布 今年四月份大學(xué)生方程式競(jìng)賽的奧地利站、匈牙利站、捷克站等五國組委會(huì)共同發(fā)布了混合動(dòng)力大學(xué)生方程式的技術(shù)規(guī)則，而在剛剛過去的九月份，德國站也正式將混合動(dòng)力部分寫進(jìn)了世界大學(xué)生方程式規(guī)則中。 2024?年大學(xué)生方程式的奧地利賽、匈牙利賽等將使用德國發(fā)布的?FS 2024?規(guī)則。 ?

今年八月份，我前往了大學(xué)生方程式大賽的德國賽，與成功開發(fā)出混合動(dòng)力方程式賽車的隊(duì)伍之一——來自卡爾斯魯厄應(yīng)用技術(shù)大學(xué)的 High Speed 車隊(duì)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了交流。接下來，我將圍繞自己的所見所聞以及我曾經(jīng)的車隊(duì)經(jīng)歷談一談混合動(dòng)力大學(xué)生方程式的設(shè)計(jì)思路。 混合動(dòng)力大學(xué)生方程式的設(shè)計(jì)與仿真思路 混合動(dòng)力系統(tǒng)目前分為串聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián)等構(gòu)型，而并聯(lián)又根據(jù)電機(jī)位置的不同分為 P0、P1 等構(gòu)型。雖說FS規(guī)則并未限制構(gòu)型的結(jié)構(gòu)，但可以預(yù)見，F(xiàn)SAE 主流混合動(dòng)力構(gòu)型大概率會(huì)是 P0 和 P4 兩種方向。

大學(xué)生方程式的混合動(dòng)力系統(tǒng)總體布置相對(duì)于乘用車混合動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)際上會(huì)簡(jiǎn)化很多：一個(gè)原因是，F(xiàn)SAE 混動(dòng)部分的電壓相對(duì)較低，系統(tǒng)危險(xiǎn)性會(huì)降低很多; 另一個(gè)原因是，混合動(dòng)力系統(tǒng)相對(duì)較難的地方在于經(jīng)濟(jì)性和舒適性的優(yōu)化控制，賽車對(duì)于經(jīng)濟(jì)性考量要求相對(duì)較低，因此總布置結(jié)構(gòu)無需考慮停車發(fā)電、換擋平順性等功能和需求。

這里我們重點(diǎn)分享一下 P4 構(gòu)型的設(shè)計(jì)流程。P4 構(gòu)型即后軸由內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)、前軸由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，該結(jié)構(gòu)主要優(yōu)點(diǎn)為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且能實(shí)現(xiàn)全輪驅(qū)動(dòng)功能——對(duì)于賽車工程而言全輪驅(qū)動(dòng)能夠有效利用輪胎附著是一個(gè)巨大的優(yōu)點(diǎn)。也正因如此，目前歐洲范圍內(nèi)的混合動(dòng)力 FSAE 賽車（卡爾斯魯厄、捷克理工、摩德納）均采用了 P4 構(gòu)型。

其實(shí)無論在哪種構(gòu)型下，F(xiàn)SAE 賽車混合動(dòng)力系統(tǒng)主要的設(shè)計(jì)工作主要由以下幾個(gè)部分構(gòu)成：傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)控制策略設(shè)計(jì)，電池箱設(shè)計(jì)及整車電氣等。接下來我就這些部分在 P4 構(gòu)型下的設(shè)計(jì)和仿真談?wù)勎业囊恍┫敕ā?/p>

1.電驅(qū)動(dòng)及傳動(dòng)設(shè)計(jì)思路

傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)部分的工作主要有傳動(dòng)比選型、機(jī)械建模及仿真校核。傳統(tǒng) FSAE 賽車的傳動(dòng)比設(shè)計(jì)往往是使用圈速優(yōu)化軟件進(jìn)行圈速仿真，將不同減速比的賽車應(yīng)用到某一個(gè)工況（如耐久賽道、直線加速），根據(jù)工況的圈速或加速時(shí)間確定主減速器傳動(dòng)比。

混動(dòng)系統(tǒng)中的傳動(dòng)比設(shè)計(jì)相對(duì)單動(dòng)力源賽車而言復(fù)雜了許多, 圈速仿真往往與混動(dòng)系統(tǒng)控制策略有直接的關(guān)系，大部分圈速優(yōu)化軟件也無法直接提供混合動(dòng)力系統(tǒng)的圈速仿真。在我看來，混動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比設(shè)計(jì)可以將內(nèi)燃機(jī)部分和電機(jī)分開求解。內(nèi)燃機(jī)減速比設(shè)計(jì)可依然采用圈速優(yōu)化軟件來計(jì)算，計(jì)算過程僅需視為純內(nèi)燃機(jī)賽車即可。

而電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分傳動(dòng)比初選需要考慮最大加速度下的需求轉(zhuǎn)矩，減去內(nèi)燃機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩即為最大傳動(dòng)比；賽車的設(shè)計(jì)最高車速則需要位于電機(jī)轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)，求解即得到最小傳動(dòng)比；在求解后還需要對(duì)電機(jī)傳動(dòng)比進(jìn)行驗(yàn)算，保證耐久賽常用轉(zhuǎn)速區(qū)間位于恒轉(zhuǎn)矩區(qū)。這樣初步的傳動(dòng)比選型區(qū)間便完成了，后續(xù)還需要引入控制策略的仿真平臺(tái)進(jìn)行計(jì)算。

2.控制策略及仿真思路

完成了傳動(dòng)系統(tǒng)部分后就需要設(shè)計(jì)控制策略。P4 構(gòu)型的控制策略主要可以分為油電驅(qū)動(dòng)功率分配策略、前軸雙電機(jī)扭矩分配策略、再生制動(dòng)策略等?；靹?dòng)系統(tǒng)的控制策略設(shè)計(jì)其實(shí)是可以不對(duì)內(nèi)燃機(jī)部分進(jìn)行修改的，而通過電機(jī)的控制策略匹配內(nèi)燃機(jī)。就像來自卡爾斯魯厄應(yīng)用技術(shù)大學(xué)的隊(duì)長 Aaron 同學(xué)親切地將其描述為：“我們的內(nèi)燃機(jī)是不知道這是一臺(tái)混動(dòng)車的”。

考慮到再生制動(dòng)和電子差速在 FSAE 圈子已經(jīng)有較成熟的應(yīng)用了（大家可以搜索到相當(dāng)多的論文以供參考），本次我便主要分享一下油電動(dòng)力源功率分配策略的思路。

動(dòng)力源功率分配的第一步是踏板功率需求劃分。踏板需求劃分的主要思路即“削峰平谷”，意思即為將電機(jī)功率補(bǔ)償在外特性曲線中，使得功率輸出幾乎線性，而對(duì)應(yīng)的不同踏板開度的功率需求也可以計(jì)算求得。

下一步是發(fā)動(dòng)機(jī)功率匹配，因?yàn)楹芏嘬囮?duì)使用的是拉線節(jié)氣門，因此發(fā)動(dòng)機(jī)在對(duì)應(yīng)油門開度的輸出功率實(shí)際上是容易求得的，從而可以計(jì)算得到電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率。值得注意的是，動(dòng)力源分配策略還需要考慮賽車俯仰導(dǎo)致的軸荷轉(zhuǎn)移帶來的驅(qū)動(dòng)力分配變化。

有了動(dòng)力源功率分配策略后便可以搭建賽道進(jìn)行圈速仿真了。圈速仿真可以參考圈速優(yōu)化等軟件的仿真思路，但由于該軟件并不支持帶有控制策略的混合動(dòng)力系統(tǒng)仿真，因此需要車隊(duì)利用 Simulink 等軟件自行搭建平臺(tái)仿真。

在工業(yè)界有一句玩笑：“MATLAB 除了生孩子以外都可以做”。事實(shí)上，MATLAB 中內(nèi)置了一個(gè)混合動(dòng)力功率分配策略的仿真平臺(tái)： https://ww2.mathworks.cn/matlabcentral/fileexchange/92820-hybrid-electric-vehicle-model-in-simscape

這個(gè)基于 Simulink 的混合動(dòng)力功率分配策略仿真平臺(tái)帶有了內(nèi)燃機(jī)、電機(jī)、變速器等零部件和整車動(dòng)力學(xué)的數(shù)學(xué)模型，適當(dāng)進(jìn)行修改即可完成 FSAE 賽車的混合動(dòng)力系統(tǒng)的仿真。另外， MathWorks 還提供了混動(dòng)汽車開發(fā)的視頻教程系列，大家可以多關(guān)注一下： 系列視頻推薦?-?【混合動(dòng)力電力汽車 HEV】 總結(jié) 多動(dòng)力源的匹配與控制技術(shù)，在乘用車行業(yè)內(nèi)依然是一個(gè)有難度的課題。相比于油車和電車，我認(rèn)為混合動(dòng)力賽車面對(duì)仿真技術(shù)的需求更高、控制技術(shù)需求更大。這篇分享介紹了油車轉(zhuǎn)向混動(dòng)技術(shù)的初級(jí)技術(shù)路線，包含我個(gè)人對(duì)混合動(dòng)力技術(shù)的理解，旨在幫助車隊(duì)設(shè)計(jì)出一輛“能跑”的混動(dòng)賽車，而非一輛“性能卓越、有效利用每一分抓地力”的優(yōu)異賽車。

FSAE 即將走入新的技術(shù)發(fā)展時(shí)代，未來的大學(xué)生方程式大車賽走到何種高度還是需要依靠未來的各位隊(duì)員。引用某位裁判老師的話說：“我們希望大學(xué)生方程式是一場(chǎng)充分鍛煉學(xué)生各方面技術(shù)的工程實(shí)踐平臺(tái)，而非一場(chǎng)高配版的金工實(shí)習(xí)”。

審核編輯：黃飛

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