您当前的位置:首页 >> 管理
电动汽车也有方程式赛车?!都是你绝对不知道的黑科技
发布时间:2019-12-04
 

F1赛车,以及WEC(世界耐力锦标赛)最高的LMP1组别赛车,作为人类赛车金字塔顶尖的赛事,已经进入混动时代很多年了。

近年来,电动汽车逐步普及,大家都知道电动汽车加速很快。但是为什么电动赛车迟迟不能进入大众的视野,是什么技术的瓶颈,阻碍了电动赛车的发展

先来看一下,现在大家能听到的一些电动赛事。


Formula E 电动方程式锦标赛

其实纯电动的方程式比赛在2014年就已经诞生了。Formula E全名为国际汽联电动方程式世锦赛 (FIA Formula E Championship),其揭幕战还是在北京奥林匹克中心街区举办的。

电动汽车也有方程式赛车?!都是你绝对不知道的黑科技

但是和F1不同,FE的比赛有一点奇怪——

首先,FE赛车的续航里程较短。

与F1赛车频繁换胎不同,FE赛车更加戏剧化。在前四季FE赛事中,正赛期间,车手必须强制进站换车一次。F1赛车可以一口气跑300多公里,而FE赛车28kWh的电量仅仅只能够跑完半场比赛。

其次,虽说是赛车,但输出功率并不大。

赛车在正赛中会开启“节电模式”,最大输出功率将被限制在150kW。只有赢得FanBoost的车手,才可以获得5秒额外30kW的动力输出(每辆车),将赛车动力暂时提高到180kW。

(FanBoost:FE也是全球首个允许粉丝切实参与到赛事中的竞技项目。粉丝可以通过这一FE独有的互动机制为自己喜爱的车手投票,票数排名前三的车手能在比赛中获得额外的能量,并且有机会在比赛中使用一键加速按钮。)

180kW是什么概念?大概了解一下,虽说各大车队都不公布,2018赛季F1赛车动力系统MGU的输出功率在730kW左右;或者说一辆售价25w左右的凯迪拉克ATS-L的发动机,差不多就是180kW……

最后,F1和FE的自主开发程度相差甚远

F1赛车是完全自主设计,代表了一个品牌的极端实力,不仅是品牌宣传,更是试金石。现在看来非常普通的涡轮增压、ESP等都是从F1开始发展,逐渐进入民用车型的。技术的积累与实践,就是这么一步步探索出来的。

对比之下,FE赛车还相差甚远,或者说,是在和民用高性能车的技术同步进步。在第一赛季(2014-2015年),FE参赛的赛车全部由统一的供应商提供,各车队没有进行自主研发,冠名车队,执行的更多是赛事运营方面的任务,蔚来车队在第一赛季中获得最佳车手这件事和电动赛车技术,好像也没太大关系。

从第二赛季起,FIA规则对动力总成中除电池以外的部件开放了研发和修改的权限,允许车队自行开发电机、逆变器和变速箱,FE第五赛季(2018-2019)开始使用二代赛车,相信各车队的技术实力也能可见一斑。

但根据国际汽联电动方程式锦标赛中文官方网站目前公布的车队信息来看,代表中国出战的队伍只有一支,那就是在第三个赛季加入该赛事的钛麟车队,而蔚来车队依旧是披着英国队的战衣,这有点令人费解。

电动汽车也有方程式赛车?!都是你绝对不知道的黑科技


中国大学生电动方程式汽车大赛

大学生电动方程式大赛,由于面向的参赛者是在校的汽车专业学生,所以在汽车业内的知名度较高。

同类型的赛事,在德国、英国、奥地利等赛车运动高度发达的国家都有举办。2012年起,这项赛事在中国也已经落地生根

这项赛事中,各参赛车队的在校大学生们,按照赛事规则和赛车制造标准,在一年的时间内自行设计和制造出一辆在加速、制动、操控性等方面具有优异表现的小型单人座纯电动方程式赛车,能够成功完成全部赛事环节的比赛。

千万不要小看大学生制造的赛车哦,电动汽车百公里加速的世界纪录,就是由大学生方程式电动赛车打破并保持的

说出来怕吓到大家,其所创造的世界纪录是1.513s。相比之下,自由落体的百公里加速时间大概是2.8s,F1赛车的百公里加速时间则是2.3s左右。要完成1.51s的百公里加速,不能光靠动力强劲,电机精准快速的扭矩控制,底盘、轮胎、空气动力的精准调节都不可少,天气和道路状况也很重要。

时速0 - 100 公里只要1.5 秒!学生打造电动车破世界纪录​

电动汽车也有方程式赛车?!都是你绝对不知道的黑科技

可以说,大学生组成的团队能实现这一的技术突破,实属不易,值得关注。但是,毕竟这项赛事的车手由大学生来担任。赛车只需要完成一项时长为22分钟的耐久赛事,其续驶里程与FE不不可同日而语。而且其为了确保完成22分钟的耐久赛,往往会主动限制电机的功率。


Electric GT

相较于FE,Electric GT赛事是崭新的面孔。这项赛事,将以高达778hp并大幅轻量化的Tesla P100D作为统一规格的赛车,首场赛事2018年11月4号开跑。这将是在FE之后,第二个世界级电动车赛事,也是世界性的首个电动房车GT赛事。

全新一季的Electric GT将由八场分战巡迴赛事组成,赛道皆为FIA赛事认证。赛事规则为每场20台车同场竞技,每一战赛事将包含排位赛,与两场60分钟的正赛。


回到技术层面,电动赛车,既要跑得快,又要跑得远(至少150km),在赛事的举办过程中,是什么限制了赛车的动力和里程?工程师们究竟面临了什么样的技术难题?

电动汽车也有方程式赛车?!都是你绝对不知道的黑科技

第一个难题 · 装多少电池与续驶里程之间的矛盾

赛车与民用车不同,要考虑动力性,空气动力学特性,不能一味降低阻力;想要跑到足够远,只有增加电池的能量

最简单的办法,当时是堆更多的电池。但是赛车领域,尤其是高级别的方程式赛车在设计时,对于重量是锱铢必较的。考虑到方程式赛车的布置,电池只能布置在尾侧厢、动力单元两侧特定区间内,如果重量过大,会导致赛车前后配重不平衡,或者绕Z轴的转动惯量过大等问题,从而变得难以操控。

第二个方法,是在能量密度上做文章。电池的能量密度,是电池平均单位体积或质量所释放出的能量。

重量受限,空间受限?能量密度上去了,同样的重量和空间里,就能储存更多的能量。话说着简单,但要做到这一点,首先需要电化学技术,以及隔膜正负极封装工艺等有着整体的上升。这是汽车行业的内功,真实世界里没有“九阳神功”可以练,只能踏踏实实一步一步来。一味追求能量密度的提升,或许会“走火入魔”,带来后面的问题。

第二个难题 · 电池的能量密度与放电倍率之间的矛盾

有时候,我们能见到用“功率型”或者“能量型”来描述一款电池。这种描述背后的潜台词是——充放电功率和能量密度在某种程度上是一种矛盾,在充放电功率不变的情况下,增大电池能量密度很难。

能量型:以高能量密度为特点,主要用于高能量输出的蓄电池

功率型:以高功密度为特点,主要用于瞬间高功率输出、输入的蓄电池

提高电池能量密度最直接的方法就是提高正极活性物质占比,在一定的体积和重量限制下,我们希望正极活性物质多一些,再多一些。因此能量密度高的电池,电极表面活性材料更厚,压实密度更大。而充放电倍率和锂离子迁移速度直接相关,涂层增厚会降低锂离子扩散速度,压实密度增大,会使粒子间隙变小,也不利于锂离子快速扩散,从而降低充放电倍率。

另一方面,采用更轻更薄的隔膜材料,更纤细的BUSBAR线束和焊接工艺,直接降低电池质量,也能有效的增大电池能量密度。但在减轻电池的重量和体积的同时,也不可避免的使电池散热能力降低。

初中物理老师告诉我们:

P=U*I(功率=电压*电流)

W=I^2*R(电池内阻堆积的热量与电流的平方呈正比)

电池造好之后,输出的母线电压等级U是不变的,功率P和通过电流I成正比。在大功率放电时,P增大,I增大,导致W增大,会有大量的热量堆积在电池内部。

通过减重的方式增加能量密度,降低电池散热能力,会导致大功率放电时的热量无法快速传递出去,严重时甚至会发生热失控等不可挽回的情况。所以,在电池内部技术获得踏实进步之前,一味追求赛车电池的能量密度是存在很大风险的。

以上假设是基于电池电压等级不变的前提下的。那直接改变电池的串并联结构,将电压等级提升,不就行了么?

第三个难题 · 电池电压与功率电子元件耐压等级的矛盾

这么简单的道理,工程师们当然也想得到。但是,你得考虑承受电压的高压元器件与功率电子元器件的感受。

自从有了“电力电子学”这门学科以来,人类便拥有了随意调节电压和频率的能力。但是这一切都是基于开关元器件每秒钟高达上万次的开和关来实现的。这些辛劳开关,是以硅为主要材料的电力电子功率半导体器件。它们是纯电动汽车和混合动力汽车电力驱动系统的重要组成部分,然而由于材料限制,传统硅基功率器件在许多方面已经逼近甚至达到其材料的本征极限,如电压阻断能力、正向导通压降、器件开关速度等,尤其是在高频和高功率领域更显示其局限性。电压平台的上升,带来热量积压等问题。当施加的电压超过元件的耐压,就会导致元件被直接击穿。

电动汽车也有方程式赛车?!都是你绝对不知道的黑科技

碳化硅(SiC)为主的宽禁带半导体器件,突破了硅材料半导体器件在耐压等级、工作温度、开关损耗和开关速度上的极限,能显著提高电力电子变换器的电压、减小重量和成本。

碳化硅(SiC)材料具有2倍于硅的电子饱和速度,使得碳化硅器件具有极低的导通电阻。现有硅芯片的常规运行温度是125度,碳化硅芯片可稳定运行在250度上,可以减小现有冷却系统。受硅芯片运行特性限制,现有车用电机驱动开关频率在10kHz(一秒钟开关一万次)左右,而碳化硅芯片能运行在50kHz(一秒钟开关五万次)以上,可以减小控制器运行过程中所需要的能量存储,降低体积和重量。

看来,随着功率半导体技术的提升,800V的曙光正在到来。

拜新能源汽车近年来的快速普及所赐,电驱、电池、电控技术有充分的动力得以快速发展。这三个难题正在逐步解决,2018年的许多消息,让我们也看到了纯电动赛事得以普及、比赛过程得以正常化的曙光——

电动汽车也有方程式赛车?!都是你绝对不知道的黑科技

保时捷退出WEC,奔驰退出DTM后纷纷加入FE、日产进军电动赛车圈就是最好的证明。

FE从第五季开始,将使用全新的第二代赛车。整车和底盘依旧统一由法国斯帕克赛车技术公司(Spark Racing Technologies)和意大利著名的Dallara公司打造,但是新车的电机和电池性能明显改善。

电动汽车也有方程式赛车?!都是你绝对不知道的黑科技

FE竞赛第二代赛车

电机功率提升,其中标准模式功率200kW,高能模式功率225kW,FanBoost最大功率可以达到250kW,极速可以达到280km/h。

电池供应商也有所更换,由迈凯伦提供(电芯来自索尼),重量385kg,能量从28kWh提升到54kWh,续航里程翻倍,续航时间可从25分钟提升到45分钟。

电机、逆变器、变速箱这三项是属于可开发领域(注意,仍然不包含电池)。也就是说车队可以自己设计,或者从第三方面购买。

电动汽车也有方程式赛车?!都是你绝对不知道的黑科技

保时捷Taycan

电动汽车也有方程式赛车?!都是你绝对不知道的黑科技

大众I.D.R Pikes Peak

此外,各个车企也在不断研发自己的电动跑车,保时捷首辆纯电动跑车Taycan将在2019年发布,可能是首款采用800V等级电压的量产车型。不久前的美国派克峰爬山赛上,大众全新赛车I.D.R 最终以7分57秒148的成绩打破了此项比赛电动赛车最好纪录,甚至将比赛最短时间缩进了8分钟以内。