三電技術(shù)成就 “消音的野獸”

有這樣一群大學(xué)生，白天上完繁重的課后，拖著疲憊的身體在實(shí)驗(yàn)室里造賽車。他們?cè)敢夥艞壷苣?、寒暑假，甚至把每一分鐘都浪費(fèi)在路上，在實(shí)驗(yàn)室里吃飯睡覺(jué)。也許你會(huì)問(wèn)他們?yōu)槭裁炊鴳?zhàn)。我覺(jué)得百位fscer/FSACer的答案是:“青春、夢(mèng)想、速度和激情，奪冠”。今天，筆者來(lái)到珠海國(guó)際航展中心，這里聚集了49支FSEC隊(duì)和10支FSAC隊(duì)，目的沒(méi)有別的——做一個(gè)夢(mèng)，賽車夢(mèng)。讓我們用我的鏡頭來(lái)看看他們?cè)谧灾瀑愜囍惺褂昧四男┣把仄嚰夹g(shù)。

●寫在前面。

●三電技術(shù)實(shí)現(xiàn)了“消音獸”

談?wù)撾妱?dòng)方程式賽車的尖端技術(shù)，其實(shí)是關(guān)于他們的“三電技術(shù)”。以2021年FSEC亞軍遼寧工業(yè)大學(xué)萬(wàn)德電氣隊(duì)為例。他們?nèi)囎畲罂捎霉β?0 kW，最大電機(jī)轉(zhuǎn)速6000 rpm，0-75米加速時(shí)間約4.3秒...所有這些數(shù)據(jù)最終都取決于“三電”。

那么什么是“三電”技術(shù)呢？事實(shí)上，電動(dòng)汽車領(lǐng)域的“三大動(dòng)力”是指:動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和車輛電控。事實(shí)上，不僅在方程式賽車領(lǐng)域，在新能源汽車領(lǐng)域，三大電動(dòng)技術(shù)同樣重要。

動(dòng)力電池

動(dòng)力電池系統(tǒng)主要由電池組、電池管理系統(tǒng)和電池盒組成。電池組由單個(gè)電池和由它們連接的電池模塊組成。它的主要任務(wù)是儲(chǔ)存電能，以滿足汽車動(dòng)力和行駛里程的需求。純電動(dòng)車動(dòng)力電池給人續(xù)航里程低、安全性差的印象，其實(shí)已經(jīng)過(guò)時(shí)了。如今的電池已經(jīng)發(fā)展成為固態(tài)電池。雖然最初的產(chǎn)量很小，最早應(yīng)用于數(shù)碼產(chǎn)品，但未來(lái)應(yīng)用于汽車只是時(shí)間問(wèn)題。畢竟固態(tài)電池的電池能量密度翻倍，可以大大提升純電動(dòng)汽車的續(xù)航能力，甚至超越燃油車，值得期待。

電池管理系統(tǒng)由各種傳感器、執(zhí)行器、控制器和信號(hào)線等組成。其主要任務(wù)是保證電池組在安全范圍內(nèi)工作，提供車輛控制所需的電池信息，在異常情況下采取干預(yù)措施；根據(jù)環(huán)境溫度、電池狀態(tài)和車輛需求，確定電池的充放電功率，盡可能延長(zhǎng)電池的使用壽命。

傳動(dòng)馬達(dá)

電機(jī)主要由轉(zhuǎn)子、定子繞組、轉(zhuǎn)速傳感器、機(jī)殼、冷卻等部分組成。在新能源汽車領(lǐng)域，永磁同步電機(jī)應(yīng)用廣泛。所謂永磁是指在電機(jī)轉(zhuǎn)子的制造中加入永磁體，從而可以進(jìn)一步提高電機(jī)的性能。所謂同步是指轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速始終與定子繞組的電流頻率一致。因此，通過(guò)控制電機(jī)定子繞組的輸入電流頻率，最終將控制電動(dòng)汽車的速度。如何調(diào)節(jié)電流頻率是電控部分即電控中電機(jī)控制系統(tǒng)需要解決的問(wèn)題。

與其他類型的電機(jī)相比，永磁同步電機(jī)最大的優(yōu)點(diǎn)是具有更高的功率密度和扭矩密度。說(shuō)白了，與其他類型的電機(jī)相比，在同等質(zhì)量和體積下，永磁同步電機(jī)可以為新能源汽車提供最大的功率輸出和加速。這也是在對(duì)空和自重要求極高的新能源汽車行業(yè)，永磁同步電機(jī)成為廣大汽車廠商首選的主要原因。

除了永磁同步電機(jī)，異步電機(jī)也受到特斯拉的廣泛關(guān)注。與同步電機(jī)相比，電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速始終小于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速。因此，轉(zhuǎn)子和定子繞組的電流頻率總是“不一致”，這就是為什么它被稱為異步電機(jī)的原因。

與永磁同步電機(jī)相比，異步電機(jī)具有成本低、工藝簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)然，它的缺點(diǎn)是功率密度和轉(zhuǎn)矩密度都低于永磁同步電機(jī)。特斯拉Model S（查成交價(jià)|參配|優(yōu)惠政策）為什么選擇異步電機(jī)而不是永磁同步電機(jī)，除了成本控制的主要原因外，更大的Model S車身能夠有足夠的空間距相對(duì)較大的異步電機(jī)也是一個(gè)非常重要的因素。

除了同步電機(jī)和異步電機(jī)，輪轂電機(jī)也是新能源汽車電機(jī)應(yīng)用的熱點(diǎn)。當(dāng)然，在電機(jī)的同步控制、涉水密封等方面還有很多問(wèn)題需要解決。

整車電控

電控是指整車控制器，但新能源汽車的“電控”很多，還有電機(jī)控制器和電池管理系統(tǒng)，通過(guò)CAN總線進(jìn)行通信。整車控制器通俗易懂，主要是采集油門、剎車踏板等各種信號(hào)，做出相應(yīng)的判斷并給出指令，協(xié)調(diào)新能源汽車中各控制器的通訊；電機(jī)控制器的功能主要是接收車輛控制器的扭矩信息指令，進(jìn)而控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向。此外，在能量回收過(guò)程中，電機(jī)控制器還負(fù)責(zé)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)二次轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的交流電進(jìn)行整流，并將其充回動(dòng)力電池。與前兩種控制器相比，電池管理系統(tǒng)相對(duì)年輕，其主要功能包括:電池物理參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、在線診斷預(yù)警、充放電和預(yù)充電控制、平衡管理和熱管理等。

沒(méi)有車手的賽車

●沒(méi)有司機(jī)的賽車

以北京理工大學(xué)純電動(dòng)方程式賽車隊(duì)的“戰(zhàn)車（查成交價(jià)|參配|優(yōu)惠政策）”FSAC冠軍為例。事實(shí)上，無(wú)人駕駛方程式賽車的研發(fā)大多基于電動(dòng)方程式賽車。你可以把FSAC看作是FSEC的高級(jí)版本，也就是我們常說(shuō)的“從FSEC到FSAC”。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是學(xué)生給電動(dòng)方程式賽車增加三個(gè)系統(tǒng)——環(huán)境感知、智能決策和執(zhí)行控制，讓方程式賽車按照設(shè)定的路線自行行駛。

我覺(jué)得最有意思的是環(huán)境感知系統(tǒng)，相當(dāng)于賽車的“眼睛”，由激光雷達(dá)、攝像頭和高精度GPS組成。智能決策系統(tǒng)相當(dāng)于賽車的“大腦”，處理“眼睛”接收到的信息，然后進(jìn)行分析處理；執(zhí)行控制系統(tǒng)相當(dāng)于“四肢”，用于橫向和縱向控制。

激光雷達(dá)測(cè)距精度高?；诓杉降脑键c(diǎn)云信息，劃分處理區(qū)域，使得最終需要處理的數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)低于原始值。在此基礎(chǔ)上，采用點(diǎn)云庫(kù)方法進(jìn)行后續(xù)處理，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、離群點(diǎn)去除、投影、聚類、中心選擇等一系列處理，最終提取出圓錐筒在坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。

看到這，有網(wǎng)友可能會(huì)奇怪，為什么車前的傳感器只有一個(gè)激光雷達(dá)。其他的，比如超聲波雷達(dá)和毫米波雷達(dá)，都沒(méi)有裝在公交車上。針對(duì)這些問(wèn)題，筆者咨詢了吉林大學(xué)集智無(wú)人駕駛方程式賽車隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)。他說(shuō)，一方面超聲波的傳播速度容易受到天氣條件和方程式賽車速度的影響，在處理測(cè)距時(shí)可能跟不上車輛的實(shí)時(shí)變化；另一方面，超聲波散射角大，導(dǎo)致方向性差，不利于其在方程式賽車中的應(yīng)用。

攝像頭主要識(shí)別紅色錐筒和黃色錐筒來(lái)控制汽車的轉(zhuǎn)彎和停車。首先采集車前圖像，采用中值濾波方法，極大地保留了圖像的邊緣信息，有效去除了各種小噪聲。此外，采用了HSV顏色空，方便了顏色空之間的轉(zhuǎn)換。我們劃分圖像的閾值范圍，以便保留所需的顏色。其次，對(duì)閾值分割后的圖像進(jìn)行形態(tài)學(xué)開(kāi)閉運(yùn)算，得到錐桶區(qū)域和接近錐桶形狀的區(qū)域。最后，利用區(qū)域的面積、方向和圓度特征，對(duì)紅錐桶和黃錐桶進(jìn)行精確分離。

在高精度GPS的幫助下，賽車可以記錄每一次行駛的軌跡，并按照之前的路徑高速行駛。在此基礎(chǔ)上，基于機(jī)器人操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了決策系統(tǒng)。對(duì)于每一場(chǎng)比賽，都用C++編程語(yǔ)言設(shè)計(jì)編寫相應(yīng)的控制程序，封裝在同一個(gè)ROS包中。通過(guò)運(yùn)行不同的節(jié)點(diǎn)，可以快速啟動(dòng)和運(yùn)行不同的控制序列、數(shù)據(jù)傳輸和處理速度。

總結(jié):

也是大學(xué)生方程式系列賽。與FSCC相比，F(xiàn)SEC是一個(gè)先進(jìn)的種族。它要求參賽選手掌握更高的技術(shù)，主要來(lái)自電源管理系統(tǒng)、電池技術(shù)、電控系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)與控制。即使在高校和企業(yè)，技術(shù)也沒(méi)有完全成熟，競(jìng)賽參與者需要邊做邊學(xué)。與FSEC相比，F(xiàn)SAC又向前邁進(jìn)了一步。畢竟無(wú)人駕駛技術(shù)具有先進(jìn)性和跨界性的雙重特征，還沒(méi)有哪家車企有時(shí)間對(duì)這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行完整的布局。我想，隨著參賽人員經(jīng)驗(yàn)的積累和不斷的學(xué)習(xí)探索，或許這次比賽確實(shí)是一位年輕工程師的“搖籃”，為祖國(guó)輸送了一批專業(yè)人才。

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