面向大学生方程式赛车(Formula Student Racing Car)高效与轻量化管理的低压(Low Voltage, LV)配电系统(Power Distribution System)设计

《Applied Sciences》：Power Distribution System Focused on High Efficiency and Weight Management in the Context of a Formula Student Racing Car

　　

摘要：为质量敏感的电动汽车设计低压(Low Voltage, LV)配电系统存在若干尚未解决的技术挑战，包括寄生损耗(parasitic losses)、商用现货(Commercial Off-The-Shelf, COTS)配电单元质量过大，以及在车辆运行过程中难以隔离低压元件的热现象。在动态赛车工况下，低压元件的温度测量受牵引电池、电机及逆变器等外部热源强烈影响，使导体自热与配电损耗的精确评估复杂化。本研究提出一种负载驱动(load-driven)的方法论，用于大学生方程式(Formula Student)电动赛车的LV架构的规格制定、实现与验证，该方法结合了线束电流映射(harness current mapping)、阻性损耗建模及元件级拓扑优化，以支持开发轻量且电气稳健的系统。在此框架下，研究人员开发并经由受控子系统测试及车载运行实验验证了一个质量优化的可编程固态配电单元(Power Distribution Unit, PDU)、带电池管理系统(Battery Management System, BMS)的辅助电池系统及优化的LV线束。所提方法论使PDU质量较商用方案降低40–80%，同时保留了可编程保护、集成电流检测及典型赛车载荷下的稳定热运行。该减重通过负载驱动的导体选型、针对应用的过流保护阈值优化及去除冗余保护与互联硬件实现。所开发的PDU质量为155 g，测得通道导通电阻为40–70 mΩ；辅助电池组总质量2190 g，平均内阻64.2 mΩ；优化线束电阻率范围为14.72–33.98 mΩ/m。实验验证确认了系统在额定及非额定负载下均于临界热限值以下稳定运行。结果表明所提方法论通过对LV架构的针对性优化可实现系统质量与阻性功耗的可量化降低。但本方法主要适用于赛车及其他强质量约束应用，其减少封装体积、提升效率与减重优势可抵消相较COTS方案增加的设计复杂度与通用性下降。

论文解读：面向Formula Student赛车的高效轻量化低压配电系统设计研究

《Applied Sciences》刊载的此研究针对Formula Student（大学生方程式赛车，FS）电动车辆低压(Grounded Low Voltage, GLV)配电系统质量过大、商用成品(Commercial Off-The-Shelf, COTS)配电模块冗余度高及阻性损耗难以量化等问题，提出负载驱动(load-driven)的LV架构设计框架，通过负载图谱绘制、阻性损耗建模与拓扑优化，开发了质量优化的可编程固态配电单元(Power Distribution Unit, PDU)、6S2P锂离子辅助电池组及按负载选型的优化线束，经实验验证了该系统在满足FS 2026规则前提下实现PDU质量155 g（较商用减轻40–80%）、系统效率95.98%及稳定的热电性能，为质量敏感电动车LV系统设计提供可量化方法论。

研究人员采用的关键技术方法包括：基于各子系统 datasheet 功率额定值的负载电流映射(load mapping)确定最不利工况电流；设定供电母线允许压降≤3%（≈0.72 V@24 V）进行导体截面优化；采用Infineon BTS72220高边智能开关经SPI菊花链(daisy-chain)配置16通道固态PDU，控制板与功率板分离布局；选用Samsung INR21700-50S电芯构建6S2P辅助电池并集成被动均衡自定义BMS(Battery Management System)，符合FS Rule T 11.7持续监测与500 ms断开要求；线束按径向同心结构(concentric cable topology)分层排布高/低电流与CAN双绞线，依据实测分支电流进行线径减重设计，并通过+20%过载温升与绝缘耐压测试验证。

2. Materials and Methods

研究人员按EV 4.3规则确保GLV与Tractive System(TS) galvanic isolation，依负载映射定电流约束与压降目标（绝压降限3%以防逻辑DC/DC欠压锁定Under-Voltage Lockout, UVLO复位），设计最高工作温85 ℃为安全裕度。PDU采用双PCB正交布局——控制板载STM32 MCU经SPI配置与读取BTS72220通道电流，功率板强化铜箔分布大电流；取消传统熔丝与分立传感，以固件定义过流阈值。辅助电池依据GLV平均电流~3.5 A推算Endurance及整备需容量，选定6S2P（标称~21.8 V，10.98 Ah）以降低线束I2R损耗从而允许22–26 AWG细导线，BMS具单体电压/NTC温度监测及CAN 1 Mb/s通信。线束依功能分区同心绞合，高可靠MIL-DTL-38999类连接器锁止，经连续性、绝缘电阻及120%额定负载温升测试。

3. Results

3.1. Electrical Performance and Mass of the PDU

物理实现PDU质量155 g，较典型COTS PDM（260–760 g）减40–80%。通道导通电阻实测40–70 mΩ，高于BTS72220芯片典型值(5.5–13.5 mΩ_typ，最大22 mΩ)系因含PCB走线、互连结构与接插件贡献，确认系统级评价必要性。

3.2. Electrical and Thermal Validation of the Auxiliary Battery Pack

6S2P电池包总质量2190 g；理论内阻估算≈75 mΩ（电芯54 mΩ＋镍片约21 mΩ），实测均值64.2 mΩ，偏差源于datasheet内阻取最大值而实测电芯通常为12–15 mΩ及点焊接触电阻影响。放电测试标称负载下电芯温升仅3–5 ℃（环温18 ℃），过载至9.57 A仍远低于BMS 60 ℃切断阈值。

3.3. Experimental Evaluation of Harness Resistance

线束有效导体电阻率14.72–33.98 mΩ/m，最大压降对应相对母线条压降<1.7%(@24 V)及<3.1%(@12 V系统参照)，满足设计≤3%约束，证明负载驱动线径缩减未危及电压稳定性。

4. Discussion

研究人员指出负载驱动法可有效削减铜用量同时保电压降与热安全，但受限于热上限、允许压降及机械鲁棒性；PDU通道电阻须系统级考量；电池内阻解析模型偏保守适合设计阶段上限预估。局限含未建模点焊接触电阻、商用比对限于质量/功能维度、线束验证为受控非全动态路况；实车LV元件自热难从TS/电机等环境热中解耦，故采用受控子系测试。该法可作为FS及其他质量敏感EV定制LV系统的实用基础。

5. Conclusions（结论部分翻译）

本研究提出并实验验证了一种基于负载驱动的低压配电架构设计框架，应用于Formula Student电动赛车，整合线束电流映射、阻性损耗建模及元件级拓扑优化。据此开发的可编程PDU、辅助电池子系统及优化线束在保持合格电气热性能及符合FS 2026规则下实现了质量削减。结果证实所采纳设计方法论能在保证性能前提下减重，但测量值应视为特定车辆结果，因LV系统性能取决于负载分布、元件布置、PDU拓扑、电池配置、线束走向、接插件选型、封装限制及规则要求。因此本文结果应视作对所提设计流程的验证而非所有LV配电系统的通用基准。所提方法可为Formula Student车辆及其他质量敏感电动车应用开发轻量、合规且定制化的LV系统提供实用依据。