文 献 综 述
- 引言
大学生方程式汽车大赛（Formula SAE，简称 FSAE）,起始于1978年,是由美国汽车工程学会（Society of Automobile Engineering，简称SAE）主办的一项以学生为主体的汽车类实践设计竞赛[1]。比赛面向高等院校全体在校学生，要求各车队按照赛事规则和赛车制造标准，在一年时间内自行设计出一辆在加速、制动、操作等方面具有优异表现的小型单人座休闲赛车，能够成功完成全部或部分赛事环节。随着新能源汽车的快速发展，比赛范围由最初的燃油车拓展到新能源汽车。中国组委会于2010年引进中国大学生方程式汽车大赛油车比赛，2013年增加纯电动赛车（FSEC）比赛，2015年将电车赛与油车赛分离开来，并在同年11月于上海举办首届电车大赛。现在，电动赛车已经成为与燃油车并列的比赛项目，其性能已经超过燃油车并具有更好的发展空间。
- 研究背景及意义
能源问题一直是各国发展经济的一个瓶颈问题，各国一直在努力寻求解决此问题的有效方法。在整个能源消耗结构中，汽车一直是耗能大户，能源问题也成为制约汽车行业发展的重要因素。随着时代的发展，新能源汽车产业逐渐发展壮大，并成为全球汽车产业发展的重点目标。
在全球汽车行业的大势所趋下，我国从2001年成立电动汽车专项规划组，后经过两个五年规划，在新能源汽车研发领域构筑起“三纵三横”研发布局，形成了节能与新能源汽车的总体研发体系，推动了新能源汽车战略性新兴产业的形成。按照《中国制造2025》规划中新能源汽车的产量，电动汽车行业将拥有巨大的发展潜力[2]。而FSEC的举办，为日益成熟的纯电动汽车注入新的血液，带领更多大学生关注新能源板块。
FSEC赛车要求由各车队自行设计制造，在此过程中，可以让大学生们对电动汽车的各种关键技术有一个更深刻的理解。设计过程中，要将赛车的硬件性能最大限度的发挥出来，一款优秀的整车控制器必不可少。作为整个赛车最为核心的大脑，整车控制平台需要统合电机、电池、传感器以及各机械部件，采集驾驶员的操作信号、传感器信号、电机和电池状态等信息，经过算法计算，以最快速度发出指令，最终控制电机、电池以及各类辅助电气电子系统可靠地工作[1]。在此过程中，学生的科研实践能力，工程实践经验得到了充分的锻炼与培养。
- 国内外研究情况
目前我国在方程式赛车上的整车控制器开发上与国外还有较大差距。国外以斯图加特大学为代表的一类大学，电车直接用轮毂电机驱动，他们的整车控制器不单可以控制转矩和转速的输出，还能做到电子差速，整车控制器的稳定性很高，其技术相当成熟。而国内到目前为止，仅有上海交通大学、同济大学、北京理工大学等几所名校在开发双电机驱动的整车控制器[3]。
其余学校在整车控制器的开发上还停留在初级阶段，主要有两种形式：一种是比较简单直接的通过电子油门直接控制电池放电电流，进而控制电机控制器，从而输出转矩使赛车移动；另一种是同时可以与电池、电机控制器进行通讯进而根据驾驶员意图控制转矩输出的整车控制器，这种整车控制器相对第一种来说控制水平更加稳定，需要具有运行稳定、可靠、反应灵敏等要求，其结构相对来说复杂，是保证整车各部件正常工作的重要条件[4]-[10]。
- 整车设计与优化方法
整车控制器通过传感器采集油门踏板和制动踏板的角度信号，经过内部算法运算处理，再由 CAN 总线输出控制信号到电机ECU，控制电机的扭矩和转速[11]。
在设计过程中，需要考虑赛车与乘用车和其他电气系统的区别。电动赛车在运动时加速度变化剧烈，车体承受的动载荷更大，并且，电机和驱动器会产生电磁干扰，驱动系统的高电压也给赛车的安全性提出了极大地挑战。因此，在设计整车控制器的过程中，需要集中考虑其硬件系统抗电磁干扰，抗机械抖动，以及在高电压，多灰尘等恶劣工作环境下可靠工作的能力。为达到以上要求，在PCB设计时，需要做好EMC设计[12]-[14]；在电路板焊接时，需要保证各芯片焊接足够牢靠，避免使用连接不稳固的模块，做好电路板的覆铜，阻焊层布置，散热，防水等工作。
同时，电动赛车需要具有良好的油门响应特性，以满足比赛过程中频繁加减速的需要，这就要求控制器有足够快的主频，为此，选用 ARM 内核的 STM32F407 系列作为主控芯片[15]-[19]，相比于其他内核的芯片和其早期版本，STM32F407性能出众，外设丰富，主频更可以达到168MHz。除此之外，还需要优化其嵌入式软件算法，提高其运算处理数据的速度和准确率，以提高电动赛车控制系统综合性能[20]。
