E级方程式为零排放座驾平添无限魅力

作者 Steven Keeping, Mouser Electronics

FIA认可的街头循环系列赛展示了电动汽车的性能,并承诺将改变行业沉闷的形象

电动汽车(EV)——一种使用一个或多个电动马达驱动的车辆,其电动马达从电池获得动力,而电池则需要从外部电力供应来充电——-正遇到沉闷形象的问题。相较于动力无限的Detroit V8发动机的狂野咆哮,或者是欧洲运动轿车直列6缸汽油发动机的尖叫轰鸣,日产Leaf的同步电动马达转动时仅嗡嗡作响,但这并不意味着它就“低人一等”。

目前EV销售量非常低,名气也还不高。电动车同美国市场中最畅销的一些车辆产品相比基本没有任何竞争机会。这些电动汽车中,知名的有通用汽车的雪佛兰Volt、日产的Leaf、特斯拉的Model S和丰田的普锐斯插电版本,这四种型号的汽车占据了2011年以来美国电动车225000总销量的80%。福特的Fusion Energi和三菱i-MiEV 也很受欢迎。然而,除了高档的特斯拉,所有电动汽车都属于低档或中档车辆, 不受人瞩目,如果能勉强赢得回头率,那也只是它们在开过时的安静让人感到意外。

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然而,外表不起眼的现代EV车辆其内部却非常复杂,与来自于 Michigan,Bavaria或者Greater Tokyo的传统车辆相比,技术毫不逊色。

比如,在使用24千瓦时的锂离子(Li-ion)电池组时,相对温和的日产Leaf电机将产生80千瓦(110马力)动力和280牛米的扭矩扭矩(210磅•英尺)。这股动力足以推动车辆在十秒钟内从0加速到100公里/小时(0到-62英里),对于一个紧凑的五门掀背车来说,这个数字并不显得太寒酸 ,而且该车辆还通过了环境保护局(EPA)的燃油经济性评级,其复合指数为每加仑的汽油行驶115英里,相当于2.0升/ 100公里。

不过,这些数字对大街上的男人们意义不大,他们在为自己选择下一辆车时并不关注这些。真正吸引人的是——汽车营销人员也心知肚明——与赛车品牌的关联。看到你的候选车的标识出现在赢得印地赛车、一级方程式或世界汽车拉力锦标赛比赛的高性能汽车上,这种刺激要远比规格表的小字要强烈很多。

目前电动车也拥有了自己的展示场所,国际汽车联合会官方(FIA - 赛车运动的管理机构)单座总冠军赛从去年09月份的北京站开始,将持续到2015年6月。冠军赛将在10个全球领先的城市中心举办——除北京外还包括伦敦、迈阿密和布宜诺斯艾利。十支车球,每队两位车手,将使用高性能EV——Spark-Renault SRT_01E参与比赛。

但E级方程式的意义并不只是为了提升电动车的美誉度;据E级方程式控股的CEO亚历杭德罗·亚甲所说,总冠军赛将成为“围绕我们城市未来关键要素的电动车的研究和开发的框架。”传统汽车的一些技术,如双顶置凸轮轴、四气门每缸以及防抱死制动系统,都是在赛车中被发明或者被完善,然后才惠及到普通的公路运行车辆,E级方程式组织者希望他们的赛事将为电动汽车产业带来同样效果。

注:2014年9月14日,Formula E电动方程式北京站(Beijing ePrix)比赛在国家奥体中心“鸟巢”和“水立方”周边的街道举行。经过一天的角逐,来自奥迪运动ABT电动方程式(Audi Sport ABT Formula E Team)的车手卢卡斯·迪·格拉斯(Lucas di Grassi)获得冠军。

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尖端技术

在北京举办的第一场E级方程式比赛让车迷们沸腾不已,也证明该系列赛并非噱头。在这项激烈赛事中冠军最终由 Audi Sport ABT车队的前F1车手Lucas di Grassi获得。在总计52分钟的比赛中di Grassi的平均时速为127.5公里每小时(79.2英里每小时)。排在第二位的是Andretti车队的前雷诺F1测试车手和三级方程式选手Franck Montagny,成绩仅落后第一名2.9秒。

尽管E级方程式的性能表现优异,但并没有给从事商业EV设计的汽车工程师带来多少惊喜。尽管最新型的EV多用锂离子电源组,不过其能源密度大约为700瓦时/升,要远低于汽油的10千瓦时/升,但EV不会排出有毒气体,而且还有一些其它优势。其中关键的一点是,与燃气发动机相比电机的效率更高,在驱动车辆行驶时,EV电能到机械能的转换率为75%到85%,而燃气发动机化学能转为机械能的效率只有25%到30%。其次,EV的电动机比汽油发动机更紧凑,更节省空间,因此可以容纳更多的电池并带来更大的整体能量。(图1)

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图1:EV电动马达,比如在BMW i3中所用的这个,更轻便也更小巧。(版权所有:BMW)

尽管如此,同中档的EV的相比,传统汽车整体性能更好,巡航范围也更大。纠其原因,主要是因为内燃机拥有130多年的历史研发积累。虽然EV本身可能比大家认为的发明时间更早——电池动力汽车可以追溯到19世纪30年代,甚至可能更早——但只是在过去的20年间,各大汽车厂商才纷纷投入可用资源进行EV的密集开发。

这样的结果是,电动汽车正在快速迎头赶上燃油汽车。比如特斯拉的最新款产品,Model S,它是一款后轮驱动的电动汽车,其动力来源于60或85千瓦时的锂离子电池组。 Model S上面有一个安装在后轴中部的三相四极AC感应铜转子电机,内含一个液体冷却的动力总成,能够驱动2100公斤(4630磅)的车辆以210公里/小时(130英里)的最高时速行驶,续航里程为425公里(265英里)。这个高大上的车辆还有其它一些特性,包括一个变频驱动器和带能量回收的制动系统。

在低转速时燃气发动机产生的扭矩和功率都较小,这意味着必须通过一系列齿轮,以使发动机能够快速提升转速以达到不错的加速效果。即使这样,最大功率和扭矩仅受限于相对较窄的转速段内,达到最大扭矩时转速为最大值的一半,而达到最大功率时转速接近最大极限,因此为满足不同的道路状况,需要频繁换档(图2)。相比之下,EV可以在一开始就输出最大扭矩,并平滑的持续提供功力,只在最高转速区内尾部动力有所下降。相应地,电机的输出功率将在整个转速范围内平滑上升,即便是在转速上限的尾部也基本没有下降(图2)。

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图2内部火塞引擎在峰值扭矩输出时转速为最大值的一半,并且峰值功率输出仅限于相对狭窄的转速范围内。(版权所有:Woodbank通讯有限公司)

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图3电机从零转速开始输出峰值扭矩,车辆加速非常快。(版权所有:迈凯拉轮应用技术)

因为电机输出动力的方式特殊,具有较低标称性能的EV在起步时表现接近于一个性能更强的传统车辆。比如,Model S,具有一个310千瓦(416马力)的发动机,其输出扭矩为600牛米(443磅•英尺),可以推动车辆在4.2秒内从0加速到100公里/小时(62英里)。这种加速效果甚至超出宝马M5,要知道后者是一款高性能著称的欧洲运动轿车,具备与前者相似的大小,只是重量略低(1945公斤(4288磅)),但却拥有一个418千瓦(560马力)、680牛米(500磅•英尺)的燃油发动机。

E(娱乐信息)级方程式

虽然E级方程式的诞生源于FIA的期望,即提升能源、移动性和可持续性的正价值,但也许目前最大的好处是,E级方程式将成为EV技术的测试温床,将激发电池、动力传动系统、电机以及发动机管理等的进一步发展。

该电动汽车从静止起步,3秒内将车速快速提升到百公里每小时(62英里每小时),并最终攀升至225公里/小时的最高车速(150英里每小时)。在排位赛时,车手可以完全使用200千瓦(270马力)的全部潜在动力,不过在正式比赛时,为将电池续航延长到30分钟左右,最大功率被钳制为150千瓦(203马力)——只能有限的使用额外的30千瓦(40.5马力)以用于超车。

这并不意味着2014年总冠军赛会很无聊。 FIA正在使出浑身解数试图提升E级方程式的趣味性,以提升公众对EV的品牌形象认知。

就首批赛车手来说,赛事圈并不缺天才。二十个车手中有十三个曾经完成过F1赛事,他们将参与E级方程式的争夺。在第一场比赛中,最后一个拐弯处发生了一场意外,Nick Heidfeld(F1赛车的常规赛事完成者)的Venturi 与 Nicholas Prost的Renault两辆赛车碰撞到一起,最终前者的赛车以底朝天式结束了比赛,也表明了赛车车手间的争夺级别是相当高的。

所有这些车手为总计10支的车队参赛,包括赛车爱好者熟悉的一些车队,比如奥迪,Andretti,,雷诺和Virgin,当然也包括一些新成立的式E级方程式赛车团队,如China Racing,Dragon Racing和Mahindra Racing。

当然,车辆使用的EV技术也是世界上最先进的;例如迈凯轮电机驱动车轮时具备世界上最高的功率重量比,提供高达200千瓦(270马力)的动力,而马达仅重26千克(7.7千瓦/千克)。相比之下,用于2014年F1赛季的1.5升V6发动机可以产生450千瓦动力,但发动机却重达120公斤(3.75千瓦/千克)。

每支球队都将基于法国公司建造的Spark-Renault SRT_01E来打造赛车,还有Spark Racing技术,并与一些领先的赛车公司组成财团彼此协作。但这并不是说所有的赛车完全等同。例如,车队可以自由地调整电源管理软件以确定如何最好地在比赛过程中管理电池能量,只要所提供的电力不超过规则中的详细条例。每个电池组都集成了一个主控系统,用于监控每个电池单元的电压和温度,以确保不会有什么异常发生。工程师可以选择关闭或者限制电池组中某些单元的输出,在些许性能下降的代价下以保持降温并控制温度在接受范围内。这种做法与一级方程式中使用的节省燃料并限制轮胎磨损的策略类似。

意大利 Dallara公司提供硬壳式底盘,由碳纤维和铝制成,满足最新的FIA碰撞测试标准——它们也同样适用于一级方程式赛车。McLaren Electronics Systems提供了电动动力总成和电子设备,而另一家为一级方程式提供设备的知名公司,Williams Advanced Engineering,则提供了电池。电池采用了锂离子(锂离子)化合物,这一技术也备受中档和高档商用EV制造商的青睐。锂离子电池提供了是佳的能量密度,充电速度也很快。电池组的重量限制在200千克(以鼓励改进能量密度),并提供28千瓦时的电能。传递动力的是Hewland提供的五速换挡拨片序列式变速箱。

系统集成则由雷诺来监督,这是一家领先的EV供应商,该公司主要通过雷诺运动技术和雷诺F1运动项目来对赛车进行投资。赛车采用米其林特别设计的46厘米(18英寸)停步轮胎,可以在公路上提供良好的抓地能力。

除北京站外,比赛将在2.5到3公里(1.6至1.9英里)的长街赛道中进行。该循环赛包括长滩和柏林,甚至还有标志性的摩纳哥F1赛道(虽然E级方程式比赛将不会使用Grand Prix全部赛段)。比赛从静止开始,并持续约55分钟。因为电池在保证比赛所需时速时只能维持约30分钟,司机被要求中途进站,比赛的下半场将使用第二(充满电)辆赛车。国际汽联特派员将监督更换过程,确保所有安全设备正确使用,并强制约定最小更换时长。

除北京站外,比赛将在2.5到3公里(1.6至1.9英里)的长街赛道中进行。该循环赛包括长滩和柏林,甚至还有标志性的摩纳哥F1赛道(虽然E级方程式比赛将不会使用Grand Prix全部赛段)。比赛从静止开始,并持续约55分钟。因为电池在保证比赛所需时速时只能维持约30分钟,司机被要求中途进站,比赛的下半场将使用第二(充满电)辆赛车。国际汽联特派员将监督更换过程,确保所有安全设备正确使用,并强制约定最小更换时长。

同其它任何商业汽车赛事一样,E级方程式系列赛正在吸引着更多的赞助商,他们热衷于其中的魅力和荣耀,支持这些赛事,并致力于提高EV收益以及改进EV技术。

领先的电子分销商贸泽电子,在为汽车工程师提供高科技解决方案方面已经有多年专注经验,当然在很多其它领域也如此。贸泽电子非常自豪地为E级方程式中国赛车车队提供赞助,贸泽的标志会出现在红色车辆的前鼻锥处。与贸泽电子一同赞助中国车队的其它厂商还包括:Vishay,半导体和无源元件的一家领先供应商;Molex,连接器到线缆组件技术方面的一家领先供应商。

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在短短三年内,E级方程式已经从概念发展成为完全成熟的系列赛,尽管目前比燃油汽车要慢一些,但随着白热化竞争中技术不断被迫提升,这一差距肯定会越来越小。该技术将注定进入公路行驶的EV中,提升他们对电动汽车的期许,据业内人士分析,美国公路上的零排放汽车在2022年将提升到110万辆。

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