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

本期強強對話中，我們邀請了來自中國汽車工程學會、中國大學生方程式系列賽事組委會的技術(shù)官鄭浩，結(jié)合他在大學生方程式大賽德國賽中的所見所聞和他自己的車隊經(jīng)歷，談一談混合動力大學生方程式的設(shè)計思路。

鄭浩畢業(yè)于武漢理工大學，大一時就加入了武漢理工大學燃油方程式車隊，之后到大四在車隊中先后負責傳動、轉(zhuǎn)向、商業(yè)組的工作。他在本科畢業(yè)設(shè)計階段完成了基于并聯(lián)混合動力系統(tǒng)的能量管理及整車動力控制策略研究，獲得了校級優(yōu)秀的好成績；畢業(yè)后入職中國汽車工程學會，擔任中國大學生方程式系列賽事組委會的技術(shù)官，負責車隊技術(shù)文件審核、車隊運營管理等工作。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)燃機停售時間表可知，相當多的車企選擇在2035年前后停止銷售純內(nèi)燃機的車型。新能源將會是勢在必行的技術(shù)發(fā)展趨勢。但在新能源技術(shù)的細分路線上，不同國家、不同車企也有各自的路線分歧。 純電動還是混合動力？一直在業(yè)內(nèi)爭議不斷。很多人認為混合動力汽車是代表“落后”的折衷技術(shù)，純電動才是代表清潔動力源的“未來”技術(shù)。不過我們無法否認的是，當前純電動技術(shù)依然有相當多的技術(shù)痛點需要克服，例如充電速率、城市電容量、全工況的使用場景等。內(nèi)燃機技術(shù)在短期時間內(nèi)不會消亡，依然會長期存在，然而可以讓內(nèi)燃機技術(shù)煥發(fā)生機的，則是以混合動力技術(shù)和零碳內(nèi)燃機為首的可持續(xù)能源技術(shù)方案。 ? 武漢理工大學18-22賽季傳動組組長合影（右二為鄭浩） 大學生方程式競賽混合動力規(guī)則發(fā)布 今年四月份大學生方程式競賽的奧地利站、匈牙利站、捷克站等五國組委會共同發(fā)布了混合動力大學生方程式的技術(shù)規(guī)則，而在剛剛過去的九月份，德國站也正式將混合動力部分寫進了世界大學生方程式規(guī)則中。 2024?年大學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，我前往了大學生方程式大賽的德國賽，與成功開發(fā)出混合動力方程式賽車的隊伍之一——來自卡爾斯魯厄應(yīng)用技術(shù)大學的 High Speed 車隊在現(xiàn)場進行了交流。接下來，我將圍繞自己的所見所聞以及我曾經(jīng)的車隊經(jīng)歷談一談混合動力大學生方程式的設(shè)計思路。 混合動力大學生方程式的設(shè)計與仿真思路 混合動力系統(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 主流混合動力構(gòu)型大概率會是 P0 和 P4 兩種方向。

大學生方程式的混合動力系統(tǒng)總體布置相對于乘用車混合動力系統(tǒng)實際上會簡化很多：一個原因是，F(xiàn)SAE 混動部分的電壓相對較低，系統(tǒng)危險性會降低很多; 另一個原因是，混合動力系統(tǒng)相對較難的地方在于經(jīng)濟性和舒適性的優(yōu)化控制，賽車對于經(jīng)濟性考量要求相對較低，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。

這里我們重點分享一下 P4 構(gòu)型的設(shè)計流程。P4 構(gòu)型即后軸由內(nèi)燃機驅(qū)動、前軸由電機驅(qū)動，該結(jié)構(gòu)主要優(yōu)點為結(jié)構(gòu)簡單且能實現(xiàn)全輪驅(qū)動功能——對于賽車工程而言全輪驅(qū)動能夠有效利用輪胎附著是一個巨大的優(yōu)點。也正因如此，目前歐洲范圍內(nèi)的混合動力 FSAE 賽車（卡爾斯魯厄、捷克理工、摩德納）均采用了 P4 構(gòu)型。

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

1.電驅(qū)動及傳動設(shè)計思路

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

混動系統(tǒng)中的傳動比設(shè)計相對單動力源賽車而言復(fù)雜了許多, 圈速仿真往往與混動系統(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力系統(tǒng)的圈速仿真。在我看來，混動系統(tǒng)的傳動比設(shè)計可以將內(nèi)燃機部分和電機分開求解。內(nèi)燃機減速比設(shè)計可依然采用圈速優(yōu)化軟件來計算，計算過程僅需視為純內(nèi)燃機賽車即可。

而電機驅(qū)動部分傳動比初選需要考慮最大加速度下的需求轉(zhuǎn)矩，減去內(nèi)燃機輸出轉(zhuǎn)矩即為最大傳動比；賽車的設(shè)計最高車速則需要位于電機轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)，求解即得到最小傳動比；在求解后還需要對電機傳動比進行驗算，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進行計算。

2.控制策略及仿真思路

完成了傳動系統(tǒng)部分后就需要設(shè)計控制策略。P4 構(gòu)型的控制策略主要可以分為油電驅(qū)動功率分配策略、前軸雙電機扭矩分配策略、再生制動策略等?；靹酉到y(tǒng)的控制策略設(shè)計其實是可以不對內(nèi)燃機部分進行修改的，而通過電機的控制策略匹配內(nèi)燃機。就像來自卡爾斯魯厄應(yīng)用技術(shù)大學的隊長 Aaron 同學親切地將其描述為：“我們的內(nèi)燃機是不知道這是一臺混動車的”。

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

動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”，意思即為將電機功率補償在外特性曲線中，使得功率輸出幾乎線性，而對應(yīng)的不同踏板開度的功率需求也可以計算求得。

下一步是發(fā)動機功率匹配，因為很多車隊使用的是拉線節(jié)氣門，因此發(fā)動機在對應(yīng)油門開度的輸出功率實際上是容易求得的，從而可以計算得到電機驅(qū)動功率。值得注意的是，動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)動力分配變化。

有了動力源功率分配策略后便可以搭建賽道進行圈速仿真了。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力系統(tǒng)仿真，因此需要車隊利用 Simulink 等軟件自行搭建平臺仿真。

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

這個基于 Simulink 的混合動力功率分配策略仿真平臺帶有了內(nèi)燃機、電機、變速器等零部件和整車動力學的數(shù)學模型，適當進行修改即可完成 FSAE 賽車的混合動力系統(tǒng)的仿真。另外， MathWorks 還提供了混動汽車開發(fā)的視頻教程系列，大家可以多關(guān)注一下： 系列視頻推薦?-?【混合動力電力汽車 HEV】 總結(jié) 多動力源的匹配與控制技術(shù)，在乘用車行業(yè)內(nèi)依然是一個有難度的課題。相比于油車和電車，我認為混合動力賽車面對仿真技術(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)向混動技術(shù)的初級技術(shù)路線，包含我個人對混合動力技術(shù)的理解，旨在幫助車隊設(shè)計出一輛“能跑”的混動賽車，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)展時代，未來的大學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員。引用某位裁判老師的話說：“我們希望大學生方程式是一場充分鍛煉學生各方面技術(shù)的工程實踐平臺，而非一場高配版的金工實習”。

審核編輯：黃飛

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