摘 要

大学生方程式赛车大赛（Formula Society of Automotive Engineers，简称FSAE）由国际汽车工程师学会（Society of Automotive Engineers,简称SAE）于1978年首次举办，是一项面向在校大学生，由大学生团队根据规则要求，设计并制造一款方程式类型的单座小型赛车，并以此参加包含静态项目和动态项目的比赛，目的在于培养大学生综合素质的国际性赛事。中国汽车工程师学会于2010年首次引入该赛事，并于2013年开始增设中国大学生电动方程式大赛，至今已成功举办五年。由于该赛事的赛道较为狭窄，长直道较少，赛车在比赛过程中需要进行频繁的加减速，导致大部分能量在制动过程中以热能形式散失。将制动能量回收系统应用在FSAE电动方程式赛车上，可以有效地提高能量利用率，降低电量消耗，同时也可以在设计阶段，在相同目标行驶里程的情况下可以减少电池组数量，从而实现赛车轻量化设计。因此，制动能量回收系统对于该赛事有着较强的适应性，对于赛事和学生探索赛车发展方向有着重要的实践意义。

本文以将制动能量回收系统应用于FSAE电动方程式赛车为目的，以武汉理工大学WUTE方程式赛车队刀锋E5赛车为研究实例，进行了以下研究工作：

首先，根据制动能量回收系统的基本原理和分类特点，选取并联式混合制动系统及其控制策略作为本文的设计方向，基于车辆动力学等相关理论，以前后轮制动力分配为研究对象，设计制动能量回收系统的控制策略。

然后，结合FSAE电动方程式赛车的结构特点和基本参数，基于MATLAB/Simulink软件进行车辆建模，并依据之前设计的制动能量回收控制策略，对车辆制动能量回收控制器部分进行建模，在原赛车的仿真模型中实现制动能量回收的功能。

最后，结合中国大学生电动方程式大赛赛事特点，对制动能量回收系统进行模拟仿真分析，验证所设计制动能量回收系统及其控制策略的可行性和有效性。

本文主要针对FSAE纯电动方程式赛车的赛事规则、赛事特点和赛车基本结构，由于中国大学生电动方程式大赛起步较晚，国内赛事目前对于制动能量回收系统的研究及应用较少，故本文对于制动能量回收技术在相关赛事的应用上起到一定探索作用。

关键词： FSAE；MATLAB/Simulink；制动能量回收；并联式混合制动

Abstract

The Formula Society of Automotive Engineers (FSAE) was first organized by the Society of Automotive Engineers (SAE) in 1978. It is an undergraduate-oriented college student who is designed by the team of university students according to the rules and regulations. And to create an equation type single-seater small-scale racing car, and participate in the competition that includes static projects and dynamic projects, aiming to cultivate the comprehensive quality of the international competition of college students. The Chinese Society of Automotive Engineers introduced the event for the first time in 2010 and began to add the Formula Student Electric China (FSEC) in 2013. It has been successfully held for five years. Due to the relatively narrow track and long straights of the race, the car needs frequent acceleration and deceleration in the course of the race, causing most of the energy to dissipate as heat in the braking process. Applying the braking energy recovery system to the FSAE electric formula car can effectively increase the energy utilization rate and reduce the power consumption. At the same time, in the design stage, the number of battery packs can be reduced in the case of the same target mileage. Lightweight design. Therefore, the braking energy recovery system has a strong adaptability to the event, and has important practical significance for the race and students to explore the development direction of the racing.

In this paper, with the purpose of applying the braking energy recovery system to the FSAE electric formula car, the following research work has been carried out using the WUTE Formula team E5 racing car of the Wuhan University of Technology as an example:

First, according to the basic principle and classification characteristics of the braking energy recovery system, the parallel hybrid braking system and its control strategy are selected as the design direction of this article. Based on the relevant theories of vehicle dynamics, the former rear wheel braking force distribution is the research object. Design control strategies for braking energy recovery systems.

Then, based on the structural characteristics and basic parameters of FSAE electric formula car, vehicle modeling is based on MATLAB/Simulink software, and according to the previously designed braking energy recovery control strategy, the vehicle brake energy recovery controller part is modeled. The braking energy recovery function is implemented in the racing simulation model.

Finally, combined with the characteristics of FSEC, the simulation and analysis of the braking energy recovery system was performed to verify the feasibility and effectiveness of the designed braking energy recovery system and its control strategy.

This article mainly focuses on the racing rules, the characteristics of the races and the basic structure of the FSAE pure electric racing car. Since the FSEC starts relatively late, the current

research and application of the brake energy recovery system in domestic events is less, so this article Energy recovery technology plays an important role in the application of related events.

Key words: FSAE; MATLAB/Simulink; Regenerative braking system; Parallel hybrid braking system

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题研究的背景与意义 1

1.1.1 电动汽车市场表现 1

1.1.2 中国大学生电动方程式大赛介绍 3

1.1.3 研究意义 3

1.2 国内外研究现状 3

1.2.1 制动能量回收系统应用现状 4

1.2.2 制动能量回收系统国外研究现状 4

1.2.3 制动能量回收系统国内研究现状 5

1.2.4 应用于FSAE赛事的制动能量回收系统研究现状 6

1.3 研究的主要内容 7

第2章 制动能量回收系统设计 8

2.1 制动能量回收原理概述 8

2.2 制动能量回收系统分类 8

2.3 制动能量回收系统设计 9

2.3.1 制动受力分析 10

2.3.2 电机制动力分析 13

2.3.3 并联式混合制动系统控制策略 15

2.4 本章小结 17

第3章 基于MATLAB/Simulink的赛车仿真建模 18

3.1 FSAE电动方程式赛车模型搭建 18

3.1.1 车辆动力学模型 19

3.1.2 电池模型 26

3.1.3 电机模型 28

3.1.4 驾驶员模型 30

3.1.5 FSAE电动方程式赛车模型 31

3.2 制动能量回收系统模型搭建 31

3.3 本章小结 33

第4章 基于FSAE电动方程式赛车的制动能量回收系统仿真分析 34

4.1 循环工况分析 34

4.2 制动能量分析 35

4.3 电池耗电量分析 37

4.4 本章小结 38

第5章 主要结论及展望 39

5.1 主要工作及结论 39

5.2 未来展望 39

参考文献 40

致 谢 42

第1章 绪论

• 1. 课题研究的背景与意义
     1. 电动汽车市场表现

随着近年来人工智能、机器学习等技术在世界范围内的快速发展，以汽车电动化为基础应运而生的无人驾驶汽车引起了学界和业界的广泛关注。有着使用清洁能源、可以有效应对能源日渐枯竭的电动汽车，在经历了百余年的沉浮后，再一次成为了社会各界热切关注的话题和应用技术，各大汽车企业也重启了对于混合动力汽车、纯电动汽车等电动化的技术和产品研发，同时也刺激了一部分互联网公司和资本进入系能源汽车的造车行列。

在企业自发进行电动汽车技术不断发展优化的同时，各国政府也相继出台了在一定年限内禁售传统燃油汽车等刺激性政策，既鼓励企业发展相关技术来提高产品竞争力，又鼓励和引导消费者选择新能源汽车，从而便于相关基础设施的建设，促进整个汽车行业生态圈的全方位转型与升级。

来自EV-VOLUMES网站^[1]的统计结果显示，尽管电动汽车在全球市场仅仅占有 1％的市场份额，但2017年全球插电式汽车交付量达到122.36万辆，比2016年增长了58％，之中，电池动力汽车（Battery Electric vehicle，简称BEV）销量占66%，插电式混合动力车（Plug-in Hybrid Electric vehicle，简称PHEV）销量占34%。如果汽车市场能保持这样的势头，可以预测到 2025年时，电动汽车在全球销量的占比可以达到1/3。