doi:10.396p.issn.1673-3342.008
FSE电动赛车动力电池建模与仿真分析
邓仲卿阳林，吴发亮周永光
510006广东省广州市广东工业大学机电工程学院）
[摘要］FSE电动方程式汽车比赛是中国FSAE大学生方程式比赛新的赛事，为研究FSE电动赛车动力电池，基于advisor软件建立锂电池组和整车仿真模型.选定CYC-IM240道路行驶工况进行仿真，得到锂电池组的SOC电流以及温度曲线通过E03实车试验对比表明建立的模型有一定的合理性，对今后FSE电动赛车设计有一定的理论依据.
关键词]FSE电动赛车动力电池建模与仿真
[中图分类号]U464.3 [文献标志码]A
[文章编号]1673-3142(2013)03-0030-04
Modeling and Simulation of Power Battery for FSE Electric Carbun6uo nouzbue mu buebubuouzbua
[Abstract ]Formula student electric is a new event of formula SAE in China .To study the power battery for FSE electric car，ing condition CYC- IM240 to simulate，curve of SOC current and temperature of battery pack were obtained Comparedwith re-FSE in the ing days .
Key words ]FSEelectric car powerbattery modeling and simulation
0引言
目前车载电池主要有铅酸电池、镍氢电池和锂电池.电池的能量影响电动赛车的行驶距离 电池的功率决定电动汽车的加速性能和爬坡能力因此，面向FSE电动赛车用电池，能量和功率两个指标显得尤为重要.
FSAE方程式（FormulaSAE）系列赛源于1978年中国大学生方程式比赛（燃油车）于2010年首次在上海举办，近年来，德国、日本等国举办FSEFormulaStudentElectric）大学生方程式汽车比赛电动车）.早在2010年北京理工大学成功研制出国内第1辆FSE电动赛车并亮相于2011届中国大学生方程式汽车大赛2011年广东工业大学紧随其后研制出第2辆FSE电动赛车，中国大学生汽车方程式组委会已确定将于2013赛季推出FSAE电车赛.
相比铅酸电池和镍氢电池 ，磷酸铁锂电池综合性能高出一筹.具体表现在：{比功率高，锂电池的平均工作电压是镍氢电池工作电压的 3倍，单位重量电池能释放更高功率 ；2）比能量高可达140WhKg，远高于镍氢及铅酸电池；3）自放电率小，一般自放电率<6%，低于镍氢电池（25%～30%）；40循环寿命长，可循环充电1000次以上；5）无记忆效应；6)对环境无污染P. 电动赛车与燃油赛车不同，电池和电机作为能量源和动力源，决定着电动汽车的动力性能和续航里程“.本文选取E03为原型车，利用ADVISOR软件建立整车仿真模型，选取CYC-IM240循环工况进行仿真，与E03实车实验结果进行对比验证. 2FSE电动赛车建模 2.1动力电池相关要求 FSE电动赛车与市场上电动汽车不同 ，根据中国大学生汽车方程式组委会发放的大学生纯电动方程式汽车大赛规则，赛车电池的最大输出功率不得超过85kW耐久赛续驶里程为22km动力电池组最大允许电压600V；综合国内外电动 1动力电池的特点和应用 1.1动力电池的选用 赛车参数，整车整备质量处于 150～40kg不等；车身迎风面积相对较小 2) 3)SOC模型 （SOCalgorithm）SOC估测采用安时计量法，计算公式如下： 2.2赛车基本参数设计 根据中国大学生汽车方程式比赛要求 ，设定赛车基本参数 （：（）最高速度90kmh；2）整车质量35km.
(3)
式中A-当前电机电流 ;h-一时间.放电时，Adt；充电时，Ahused= Meouomb Adt，其中Ah used =Icoulomb为折算库仑效率 ，取0.9图2为SOC模型.
蓄电池的化学特性是一个与各种随机变量相关的非线性函数.电池模型描述电池的影响因素与其工作特性之间的数学关系 ，考虑的因素有开路电压、内阻、功率、SOC、温度、负载电流以及循环工作次数等 B]
1）开路电压和内阻模型 packVoc.rint 根据SOC值和蓄电池的功率需求来求解给定的当前单个电池的开路电压和内阻 .模块首先根据 SOC值和蓄电池的温度 ，采用插值法 ，分别求出开路电压和充电及放电时的内阻 .得到的单个电池的电压与电池块数的乘积为总的开路电压输出值 ，单个电池的充电或放电内阻乘以电池块数并经过转换控制器得到合适的内阻
4）散热模型：预报车辆在行驶过程中和蓄电池充电期间蓄电池的平均温度和表面温度 .赛车在行驶期间动力电池组产生热量 ，其中约50%热量散播在空气中 ，空气温度表示为
(4)
2）功率模型：为驱动车辆 ，电池输出功率应等于阻尼功率、传动装置中的功率损耗 、电动机驱动 ].功率功率以及电子仪器设备所含的功率损耗模型是时间的函数 具有动态特性.蓄电池的输出功率为
式中，Tam 空气绝对温度 ，取25℃；mair--摩尔空气质量 ;Co.空气比热容 Q_电池组散热量.
动力电池组的温度可表示如下
ACA V²M8dVPb- out V [M (f i) ()nnm 2 p式中n-传动效率 电动机效率 f--坡度 空气密度滚动阻力 i- C气阻力系数 A 迎风面积 ;S- 一汽车旋转质量换算系数
(5)
电池组电化学产热量；mes电式中Qess池组电芯质量 .图3为电池组温度模型
动力电池组的输出能量为
图电池组温度模型型Fig3Mdofbatterytemperatrre
5）负载电流模型（putercurrent）以功率限制输出模块、开路电压以及电阻计算模块的输出值，根据Kirchhoff laws求解关于负载电流的二次方程，即：
图图1电电池组能量输出模型型FEigMModlobblitteryeenergyoottpit
6)
在充电过程中 ，电压不能超过最大值 ，最大充电电流由式1=Voc-Vmax得到.
6）功率限制模型 (imit power）防止电池的功率超出SOC、等效电路的参数值和电动机控制器最小允许电压的限制 5]
7动力电池组仿真模型
根据上述建模方法 ，蓄电池模型根据动力总线的功率需求计算出蓄电池荷电状态 SOC近似值，并输出可用功率 ，功率损失按内阻损失加上库仑效率定律确定的功率损失计算 ，组合上面的主要模块生成蓄电池总成模块图 如图4所示.
图4动力电池组仿真模型型
Fig.4imulationnmedelof poweerbatterypack
2.4赛车模型
ADVISOR采用的仿真思路是以向后仿真为主兼向前仿真，首先按照与实际功率流流动相反的方向，根据工况要求 ，由整车动力学模型计算出汽车要达到该速度所需的电机功率 ，然后计算要得到电机功率需要的电池工作电流 、电压和功率等 ，并选择相匹配的电机.确定了电池和电机的主要参数后，根据仿真工况对所建立的模型仿真 ，得出仿真结果和数据，图5为电动赛车功率传递路线
图5sS率东功率传递路线
建立整车仿真模型 ，包括行驶工况模型 、车身模型、轮胎模型、变速器模型、电机模型、电池模型.图6为整车仿真模型 .本文详细讨论动力电池模型，由于篇幅有限 ，其它模型暂不讨论
整车参数通过 GUI界面输入以及编辑 M文件完成，部分技术参数如表 1所示.
3 整车性能仿真
3.1行驶工况选择
3.2仿真结果分析
图6整车仿真模型
Fig .Simulation model of the whole race car
表1E03整车模型技术参数Tab .1Technical parameters of E03 model
项目名称 参数整车整备质量 kg veh _mass 400空气阻力系数 air _CD 0.40电池容量AH ess _max_ah_cap 60迎风面积m² veh _ FA 1轴距mm veh __ wheelbase 1600传动比 tx _ratio 7.19
针对中国大学生方程式赛道路况和原型车E03的性能特点，耐久赛总行驶里程为 22km赛道设有13个弯道，弯道总长1000m，E03最高车速为83kmh，行驶期间停车 1次，时间为180S，总历时1504S，选择CYC-IM240工况，做2次循环仿真.
仿真结果如图 7所示.在车速随时间变化的曲线中，实际车速能够很好地吻合循环工况车速在道路循环停车的时间里 ，电机处于停止的状态在电池的荷电状态 SOC曲线图上可以看出 电动汽车在减速的工况 可以有效回收能量 ，在结尾处更为明显 ，速度急剧下降 ，电流反向增大 ，制动能表2为整车仿真结果量回收给蓄电池充电 .
图7仿真结果图
Fig .Figure of simulation results
表2整车仿真结果表
Tab.2Simulation results of race car
项目 参数值仿真最高车速 /(kmh) 89.1电池组最高电流 A 124电池组最高温度 PC 32.5最大续驶里程 Km 34.1
图11电池组温度-行驶里程图Fig . 1Figure of battery temperature -mileage
3.3实车测试
4 结语
以E03为原型车，赛车采用磷酸铁锂电池 单体电芯额定电压为3.，最大值为3.y，放电容量为10Ah最大2C持续放电动力电池组采用24串6并方式开路电压为76.8，总能量为4.6Wh.
1)基于ADVISOR对电动赛车 E03建模仿真分析，对比实际最高速度 、电池温度以及续驶里程，表明建立的模型具有一定的合理性 ，对今后的FSE电动方程式赛车有一定指导意义
根据赛车测试过程中的续驶里程 ，测量赛车在稳定10s后电池组端电压，图8为E03实车，对赛车进行试验图9为电池组电压一行驶里程图图10为赛车速度一行驶时间图，图11为电池组温度一行驶里程图.
2)本文局限于使用锂电池 ，而且在建模与仿真过程尚未考虑到锂电池的功率参数 自放电率以及循环次数等影响 ，为提高仿真的精确性 动力电池的建模方法还有待进一步研究
试验表明：E03最大续驶里程超过35km，电池组在76～78/电压范围内稳定工作 ，赛车最高速度可以达到 90kmK，在连续行驶 35km后，电池组的温度低于 50℃，与此试验的结果比较表
明，文中建立的仿真模型有一定的合理性
参考文献
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图8E03赛车图
Fig.Figure of NO. E03 race car
formance of a pure electric vehicle by advisor D]. Shanghai
图9电池组电压一行驶里程图
Fig.9Figure of battery pack voltage -mileage
图10E03赛车速度一行驶时间图
生，研究方向电动汽车关键技术.E-maildzq816@ 作者简介邓仲卿（1989一）男，广东工业大学2011级硕士研究
Fig.1Bigure of rate-timeof E03 race car
