谈一谈混合动力大学生方程式的设计思路

纯电动还是混合动力？一直是业内争议不断的话题……今年四月份大学生方程式大赛奥地利站、匈牙利站、捷克站等五国组委会共同发布了混合动力大学生方程式的技术规则，而在刚刚过去的十月份，德国站也正式将混合动力部分写进了世界大学生方程式规则中。

本期强强对话中，我们邀请了来自中国汽车工程学会、中国大学生方程式系列赛事组委会的技术官郑浩，结合他在大学生方程式大赛德国赛中的所见所闻和他自己的车队经历，谈一谈混合动力大学生方程式的设计思路。

郑浩毕业于武汉理工大学，大一时就加入了武汉理工大学燃油方程式车队，之后到大四在车队中先后负责传动、转向、商业组的工作。他在本科毕业设计阶段完成了基于并联混合动力系统的能量管理及整车动力控制策略研究，获得了校级优秀的好成绩；毕业后入职中国汽车工程学会，担任中国大学生方程式系列赛事组委会的技术官，负责车队技术文件审核、车队运营管理等工作。下面是来自郑浩的分享:

前言

根据《节能与新能源技术路线图 2.0》以及各大车企内燃机停售时间表可知，相当多的车企选择在2035年前后停止销售纯内燃机的车型。新能源将会是势在必行的技术发展趋势。但在新能源技术的细分路线上，不同国家、不同车企也有各自的路线分歧。 纯电动还是混合动力？一直在业内争议不断。很多人认为混合动力汽车是代表“落后”的折衷技术，纯电动才是代表清洁动力源的“未来”技术。不过我们无法否认的是，当前纯电动技术依然有相当多的技术痛点需要克服，例如充电速率、城市电容量、全工况的使用场景等。内燃机技术在短期时间内不会消亡，依然会长期存在，然而可以让内燃机技术焕发生机的，则是以混合动力技术和零碳内燃机为首的可持续能源技术方案。   武汉理工大学18-22赛季传动组组长合影（右二为郑浩） 大学生方程式竞赛混合动力规则发布 今年四月份大学生方程式竞赛的奥地利站、匈牙利站、捷克站等五国组委会共同发布了混合动力大学生方程式的技术规则，而在刚刚过去的九月份，德国站也正式将混合动力部分写进了世界大学生方程式规则中。 2024 年大学生方程式的奥地利赛、匈牙利赛等将使用德国发布的 FS 2024 规则。  

今年八月份，我前往了大学生方程式大赛的德国赛，与成功开发出混合动力方程式赛车的队伍之一——来自卡尔斯鲁厄应用技术大学的 High Speed 车队在现场进行了交流。接下来，我将围绕自己的所见所闻以及我曾经的车队经历谈一谈混合动力大学生方程式的设计思路。 混合动力大学生方程式的设计与仿真思路 混合动力系统目前分为串联、并联、混联等构型，而并联又根据电机位置的不同分为 P0、P1 等构型。虽说FS规则并未限制构型的结构，但可以预见，FSAE 主流混合动力构型大概率会是 P0 和 P4 两种方向。

大学生方程式的混合动力系统总体布置相对于乘用车混合动力系统实际上会简化很多：一个原因是，FSAE 混动部分的电压相对较低，系统危险性会降低很多; 另一个原因是，混合动力系统相对较难的地方在于经济性和舒适性的优化控制，赛车对于经济性考量要求相对较低，因此总布置结构无需考虑停车发电、换挡平顺性等功能和需求。

这里我们重点分享一下 P4 构型的设计流程。P4 构型即后轴由内燃机驱动、前轴由电机驱动，该结构主要优点为结构简单且能实现全轮驱动功能——对于赛车工程而言全轮驱动能够有效利用轮胎附着是一个巨大的优点。也正因如此，目前欧洲范围内的混合动力 FSAE 赛车（卡尔斯鲁厄、捷克理工、摩德纳）均采用了 P4 构型。

其实无论在哪种构型下，FSAE 赛车混合动力系统主要的设计工作主要由以下几个部分构成：传动系统设计，驱动控制策略设计，电池箱设计及整车电气等。接下来我就这些部分在 P4 构型下的设计和仿真谈谈我的一些想法。

1.电驱动及传动设计思路

传动系统设计部分的工作主要有传动比选型、机械建模及仿真校核。传统 FSAE 赛车的传动比设计往往是使用圈速优化软件进行圈速仿真，将不同减速比的赛车应用到某一个工况（如耐久赛道、直线加速），根据工况的圈速或加速时间确定主减速器传动比。

混动系统中的传动比设计相对单动力源赛车而言复杂了许多, 圈速仿真往往与混动系统控制策略有直接的关系，大部分圈速优化软件也无法直接提供混合动力系统的圈速仿真。在我看来，混动系统的传动比设计可以将内燃机部分和电机分开求解。内燃机减速比设计可依然采用圈速优化软件来计算，计算过程仅需视为纯内燃机赛车即可。

而电机驱动部分传动比初选需要考虑最大加速度下的需求转矩，减去内燃机输出转矩即为最大传动比；赛车的设计最高车速则需要位于电机转速区间内，求解即得到最小传动比；在求解后还需要对电机传动比进行验算，保证耐久赛常用转速区间位于恒转矩区。这样初步的传动比选型区间便完成了，后续还需要引入控制策略的仿真平台进行计算。

2.控制策略及仿真思路

完成了传动系统部分后就需要设计控制策略。P4 构型的控制策略主要可以分为油电驱动功率分配策略、前轴双电机扭矩分配策略、再生制动策略等。混动系统的控制策略设计其实是可以不对内燃机部分进行修改的，而通过电机的控制策略匹配内燃机。就像来自卡尔斯鲁厄应用技术大学的队长 Aaron 同学亲切地将其描述为：“我们的内燃机是不知道这是一台混动车的”。

考虑到再生制动和电子差速在 FSAE 圈子已经有较成熟的应用了（大家可以搜索到相当多的论文以供参考），本次我便主要分享一下油电动力源功率分配策略的思路。

动力源功率分配的第一步是踏板功率需求划分。踏板需求划分的主要思路即“削峰平谷”，意思即为将电机功率补偿在外特性曲线中，使得功率输出几乎线性，而对应的不同踏板开度的功率需求也可以计算求得。

下一步是发动机功率匹配，因为很多车队使用的是拉线节气门，因此发动机在对应油门开度的输出功率实际上是容易求得的，从而可以计算得到电机驱动功率。值得注意的是，动力源分配策略还需要考虑赛车俯仰导致的轴荷转移带来的驱动力分配变化。

有了动力源功率分配策略后便可以搭建赛道进行圈速仿真了。圈速仿真可以参考圈速优化等软件的仿真思路，但由于该软件并不支持带有控制策略的混合动力系统仿真，因此需要车队利用 Simulink 等软件自行搭建平台仿真。

在工业界有一句玩笑：“MATLAB 除了生孩子以外都可以做”。事实上，MATLAB 中内置了一个混合动力功率分配策略的仿真平台： https://ww2.mathworks.cn/matlabcentral/fileexchange/92820-hybrid-electric-vehicle-model-in-simscape

这个基于 Simulink 的混合动力功率分配策略仿真平台带有了内燃机、电机、变速器等零部件和整车动力学的数学模型，适当进行修改即可完成 FSAE 赛车的混合动力系统的仿真。另外， MathWorks 还提供了混动汽车开发的视频教程系列，大家可以多关注一下： 系列视频推荐 - 【混合动力电力汽车 HEV】 总结 多动力源的匹配与控制技术，在乘用车行业内依然是一个有难度的课题。相比于油车和电车，我认为混合动力赛车面对仿真技术的需求更高、控制技术需求更大。这篇分享介绍了油车转向混动技术的初级技术路线，包含我个人对混合动力技术的理解，旨在帮助车队设计出一辆“能跑”的混动赛车，而非一辆“性能卓越、有效利用每一分抓地力”的优异赛车。

FSAE 即将走入新的技术发展时代，未来的大学生方程式大车赛走到何种高度还是需要依靠未来的各位队员。引用某位裁判老师的话说：“我们希望大学生方程式是一场充分锻炼学生各方面技术的工程实践平台，而非一场高配版的金工实习”。