电动方程式赛车:仅仅是赛道上飞驰的电动车?

随着能源和环境问题越来越多地进入公众的视线,汽油和柴油汽车等以传统能源作为动力来源的交通工具,其弊端日益显现。全球范围内,诸多企业和机构开展研究,寻找替代常规汽车作为交通方式的可能性,因此电动汽车应运而生。得益于学术界在电力电子技术和电能存储技术等科技领域所取得的进展,电动汽车成为炙手可热的研究方向。日产、宝马、丰田和特斯拉等厂商纷纷发布电动汽车产品,并在近几年的研发中取得了一定的进展。

每当提起赛车,最先浮现在脑海中的往往是赛道上的轰鸣声和远高于常规汽车的燃油消耗水平。以传统的观点来看,“赛车”和“环保”似乎是位于地球的两端,很难想象两者会有交集。

但这一局面在2014年被打破。随着国际汽联电动方程式锦标赛在北京盛大启幕,公众愈发意识到赛车竞技也可以以一种环境友好的方式进行。更低的噪声水平和更接近市民的街道赛形式,使得这种有别于传统F1的电动方程式赛车受到了越来越多的关注。

然而,相比于已有数十年历史的一级方程式和世界耐力锦标赛,电动方程式锦标赛作为一项新兴赛事,加之以不同于以往的电能作为动力来源的形式,赛车具备怎样的续航能力,其性能究竟如何,对尚未接触过该项赛事的公众而言尚存一丝神秘感。人们不禁发出疑问:在赛道上飞驰的电动赛车和路面上见到的民用电动车有哪些区别?电动方程式赛事的举办会对民用电动车的研发起到什么作用?

将市面上较为常见的特斯拉S 70D作为代表,与电动方程式赛车的相关参数进行比照。总体而言,电动方程式赛车速度更快、质量更轻,可以在相对较短的竞赛里程中最大限度地发挥赛车的性能。例如,电动方程式赛车可以在3秒内实现由静止状态到100 km/h的提速,并且可以在仅仅40分钟内将赛车的电量充满。

  特斯拉Model S 70D Formula E 赛车
电池材质 锂离子电池 锂离子电池
电池重量 245kg(净重)/500kg(总重) 200kg(净重)/300kg(总重)
电池能量 70kW·h(度) 28kW·h(度)
电池密度 140Wh/kg 98Wh/kg
最大放电电压 375V 600V
电动机功率 245kW 170kW(正赛)/200kW(排位赛)
最高速度 225km/h 225km/h
车重 2100kg 888kg
充电时间 75mins(超级充电桩)/10h(家用电) 约40mins

车身更轻

按照国际汽联的竞赛规则,电动方程式赛车的总重不得低于888kg,不足常规电动车的一半。轻量化的实现一定程度上得益于赛车采用密度较小的碳纤维作为车身的主要材料。更轻的车身有利于赛车性能的发挥,在相同的功率下,电动方程式赛车的功率质量比更高,加速性能更加优越。

Next EV TCR 赛车尾翼
Next EV TCR 赛车尾翼

Photo by: 武明扬

电池:为赛道而生

锂离子电池由于能量密度较大、充电速度快等特点,成为电动汽车动力来源的首选。与基于传统汽车为开发蓝本的民用电动汽车相比,电动方程式赛车的车身结构限制了电池的体积。由于赛道环境的复杂性和赛车速度远高于普通交通环境下的电动汽车,因此对方程式赛车的动力来源--锂电池提出了更高的要求。相比于类似特斯拉的常规电动汽车电池方案,即采用18650电池单体组成电池模块的方法,受方程式赛车空气动力学和外形的限制,电动方程式赛车所使用的电池为威廉姆斯先进工程公司( Williams Advanced Engineering)专门设计和生产。

在电动方程式赛车上所使用的电池无法采用类似于特斯拉等常规电动车的设计,即将18650电池单体通过串联和并联的方式连接成电池模块,并将整个电池系统平铺在汽车的底部。威廉姆斯作为电动方程式电池的供应商,根据赛会的技术规则和车身的分布,选择了类似正方体的形状,将电池置于赛车的中后部。

威廉姆斯公司为Formula E赛车所提供的电池
威廉姆斯公司为Formula E赛车所提供的电池

Photo by: Formula E

安全第一

由于赛车在赛道上发生碰撞的几率和强度都远远高于常规汽车在路面出现事故的概率,加上锂电池活性材料本身的不稳定性,尤其是电池的位置正处在驾驶舱的后方,因此电池的安全性,尤其是在发生高速碰撞时的安全性能在电动赛车电池的设计上扮演着非常重要的角色。威廉姆斯公司在赛车领域所积攒的经验,使其在赛道环境中对赛车各个部件的保护方面处于领先地位。正是这些技术领域的底蕴和赛车领域的经验,使得电动方程式赛车的电池系统成为世界上首个通过国际汽联严苛碰撞测试的电池方案。

黑箱之中蕴藏能量

适用于电动赛车的电池系统,一方面要满足安全性的要求,另一方面要考虑到赛车的重量和性能。因此,常规的金属外壳无法成为合适的选择。事实上,在电动方程式赛车上,电池的外壳采用了和车体相同的材料--碳纤维。电能传输由黑色箱体内的电池系统开始,经过其上方由电力电子器件组成的逆变器,由高压直流电转换成交流电以驱动位于后方的电机。之所以逆变器仍采用金属外壳的设计,是考虑到电磁屏蔽的原因。

Next EV TCR 赛车所搭载的电池及逆变器
Next EV TCR 赛车所搭载的电池及逆变器

Photo by: 武明扬

电池散热

电动方程式赛车和特斯拉采用液冷作为电池系统散热方案。此外,基于方程式赛车的结构,位于后轮前方的左右两个侧箱的主要用途不再像F1一样用来冷却发动机、机油、变速箱油,而是用来冷却电机、逆变器和电池。左边的侧箱专门负责为电机和逆变器散热,由于冷却液直接在电机和逆变器内部流过,热量会在赛车行驶过程中迅速散去。相比于电机和逆变器在工作过程中所产生的热量,电池工作中产生的热量仅有一部分会通过冷却液从右边侧箱扩散出去,在练习赛和排位赛之后,以及正赛车手返回车队更换赛车之后,车队技师会迅速将干冰装在风机中并连接到侧箱,以冷却电池。

Next EV TCR赛车侧箱及冷却系统
Next EV TCR赛车侧箱及冷却系统

Photo by: 武明扬

制动冷却

相比于一级方程式赛车,电动方程式赛车制动冷却装置的复杂程度要小很多。一方面,电动方程式赛车在直道和入弯的速度差要明显低于一级方程式赛车,制动盘载荷也因此骤减;另一方面,两者轮胎在材质的差异,也使得电动方程式的制动效能明显低于一级方程式。在电动方程式赛车上,制动部件的散热是通过通风盘式的制动盘实现的。如下图所示,均匀分布在制动盘周围的散热孔足以满足电动方程式赛车在街道赛中的热量管理需求。而一级方程式赛车中,根据不同赛道的弯道分布,车队会对制动盘散热孔进行相应的调整。例如在吉尔·维伦纽夫和加泰罗尼亚等中高制动水平的赛道上,一些车队会为赛车配备高达1200个散热孔的制动盘。

Mercedes AMG F1 W07 Hybrid front brake assembly
梅赛德斯AMG W07赛车前轮制动系统

Photo by: Giorgio Piola

Next EV TCR赛车刹车系统
Next EV TCR赛车刹车系统

Photo by: 武明扬

合适的赛道温度 

作为车辆的动力来源,锂电池对于温度的敏感程度远高于燃油。常规电动车的代表,日产聆风(Leaf)和特斯拉对极寒地区的客户提供了电池温度管理系统的选配方案。而对于电动方程式而言,从比赛城市和时间的选择上印证了锂电池的温度敏感性。同时电动方程式竞赛规则中规定了排位赛与正赛发车时的电池最低温度不低于21℃,冷却液温度不得低于16℃,以确保电池不会受到极寒的影响。

而寒冷的竞赛环境对电池而言无疑是个不小的挑战。以巴黎站为例,4月23日的巴黎街头颇为寒冷,比赛时的温度在6℃,在全场45圈的比赛中,车手大多选择在第23圈更换赛车。从回放镜头可以看到。除了罗宾·弗林斯外,其余所有车手在更换赛车时的电量均仅剩下1%。

充电时间

在充电时间上,电动方程式赛车采用的是高压直流充电的方式。由于赛事在时间安排上非常紧凑,排位赛和正赛均在周六进行。在各个环节之间不仅要由车队技师对受损车辆进行维修,因此快速高效的充电对于比赛的正常进行至关重要。电动方程式赛车所搭载的是由威廉姆斯提供的28kWh电池,充电过程中,高压直流电源提供650V电压和65A电流,从0%充到90%电能需要大约40分钟。对于特斯拉电动车而言,作为其现行最快充电方案的超级充电桩,充满车在锂电池的时间约为75分钟,而在家用交流电充电的模式下,充电时间长达约十小时。在常规电动汽车发展的过程中,充电技术始终是一个限制其发展的瓶颈,而电池的充电时间和汽车的续航能力是各个车企在开发电动汽车时不可忽略的问题。

Formula E现场供电设备
Formula E现场供电设备

Photo by: 武明扬

驱动未来

由于电动汽车的发展起步较晚,因此在充电标准的制定等关键环节尚未建立完善的体系,但是这一领域受到高校以及研究机构越来越多的关注。目前,相对较为成熟的充电标准IEC61851正在推广,而更高通信水平并支持V2G模式的ISO15118标准正处于制定状态,后者在前者的基础上还将会对电动车和充电设备之间的无线通信进行标准化。此外,无论是直流电还是交流电,目前电动汽车和量产电动车的充电方式仍然是通过线缆实现,而上赛季高通作为电动方程式的合作伙伴,曾尝试论证无线充电在技术上的可行性并进行了开发。

在以后的几个赛季中,国际汽联会对电动方程式的规则作进一步修改,以逐步放开各车队在电池等关键部件的自主开发权限。例如蔚来汽车、捷豹和马恒达等加入到电动方程式的各个厂商通过将电动方程式赛场作为比常规路面更加严苛的测试环境,将研发成果进行测试,并运用到民用车当中,必然会成为大势所趋。

电动方程式在呈现精彩赛事和倡导环保理念的同时,或许正在潜移默化地影响着我们每个人未来的出行方式。无线充电、无线通信、高能量密度电池以及低温保护,这些目前似乎遥不可及的关键技术也许将在未来跟随电动方程式赛车走进我们的视野。所以,电动方程式赛车不仅仅是赛道上飞驰的电动车,它将有可能引领电动车技术的发展,也驱动着我们的未来。

编辑/武明扬

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