EV Hypercar—突破重量與動力極限

作者 : Nitin Dahad,EE Times歐洲特派記者

對於參加古德伍德賽車節(Goodwood Festival of Speed)的車迷來說,整整四天聽著賽道上的賽車咆哮,參觀大型露天展場的賽車、極速超跑、老爺車和高性能汽車時,所關注的只有性能、速度以及令人驚豔的汽車外形…

為了實現電氣化策略,法拉利(Ferrari)日前任命了一位來自半導體產業的專家擔任CEO。就在完成這篇報導的幾週後,我有幸受邀參加一場超級跑車(Supercar)和極速超跑(Hypercar)的大型車展,並在會中與汽車設計師暢談電動車(EV)和混合動力車的發展策略及其設計挑戰。

不過,還真沒想到,就在幾週前,我被指派報導英國賽車嘉年華會——古德伍德賽車節(Goodwood Festival of Speed;1)。也許因為它是賽車活動,與半導體產業沒有太多關聯,過去我從未參加過這項活動。而對於參加這場活動的160,000名車迷們來說,大多數的人整整四天聽著賽道上的賽車呼嘯而過,參觀大型露天展場的賽車、極速超跑、老爺車和高性能汽車時,他們所關注的重點都在車子的性能、速度以及令人驚豔的汽車外形。

1:筆者在Goodwood賽道上。(圖片來源:Nitin Dahad)

很顯然地,當我開始與產品經理交談並適度地提出問題時,很容易就深入相關技術、動力傳動系統、電子設備和通訊架構,以及任何有助於提升速度、性能與減輕重量的話題。

在今年的展會上,電動極速超跑(EV Hypercar)和純內燃機(ICE)汽車同時亮相。每年僅生產五輛極速超跑的丹麥小公司Zenvo表示,他們沒有生產純電動極速超跑的計畫,因為他們面對的客戶是汽車愛好者。

這家只有25人的公司推出的TSR-S超級跑車雖然是賽車(2),但也完全可以合法地在普通道路上行駛;整輛車完全在丹麥製造,包括所有電子設備和動力傳動系統。有趣的是,他們選擇使用標準iPad作為顯示螢幕,因為iPad具有通用介面。Zenvo公司執行長Angela Hartman告訴我們,該公司未來將考慮採用混合動力設計,但從10月開始還是先在美國銷售TSR-S超跑,並計劃將產量提高至每年20輛。

2:每年只生產五輛極速超跑的丹麥超跑業者Zenvo,目前並沒有生產純電動極速超跑的計畫,但將會考慮混合動力路線。(圖片來源:Nitin Dahad)

同時,Lotus首席平台工程師Louis Kerr介紹所開發的Lotus Evija。Lotus Evija是一款目前仍處於原型階段的全電動極速超跑。儘管Lotus今年在Goodwood的重點是推出其全新的Lotus Emira (這也是Lotus最後一次推出汽油引擎車),但Evija才是真正代表其未來設計思路的車型。

Evija的核心是由Lotus的技術合作夥伴Williams Advanced Engineering開發的超先進全電動動力傳動系統,這家公司以其於賽車活動中的成就而聞名,曾經實現了從一級方程式(Formula One)錦標賽到電動方程式(Formula E)鐵桿賽前四個賽季的電氣化。Evija的電池組安裝在兩個座椅正後方的中間,直接為四個獨立控制的大功率密度電動馬達供電。同時,在其四輪驅動動力傳動系統的每個車軸上都整合了碳化矽(SiC)逆變器和行星傳動裝置(3)。

馬達和逆變器由Integral Powertrain Ltd.提供。四個緊湊、超輕量且高效率的單速斜齒輪地面行星齒輪箱將動力傳送到每個驅動軸。每個齒輪箱都與電動馬達和逆變器共同封裝成為一個圓柱形電氣驅動單元(EDU),每個電動馬達的目標動力為500PS,這是精確傳送如此大動力的最高效且最簡潔之工程解決方案。

3Lotus Evija是一款目前處於原型階段的全電動極速超跑。

(圖片來源:Nitin Dahad)

四個電動馬達實現了扭力向量控制,可在道路上提供良好的動態響應和敏捷性。這種全自動的自調節系統可以在幾分之一秒內將動力傳送到任兩個、三個或四個車輪。在賽道模式下,它能夠為單個車輪增加更多動力,縮小彎道半徑,從而減少每圈的時間。

Kerr指出,電子設計中的最大挑戰在於降低控制邏輯的複雜性,以便實現對每個車軸的最佳控制。他補充說,Evija背後有一套完整的雲端連接運算解決方案,其主要目標在於監控可能位於世界任何地方的汽車,並且可靠地預測客戶何時需要汽車維護服務,以便提供相應的支援。

終極目標:車身減重

與我們進行交流的大多數製造商都有一個共同目標:儘量減輕車身重量,以提升動力傳送效率,利用智慧氣流管理減少空氣阻力並提高效能,從而能夠有效地將動力傳送到車軸,讓駕駛人可以精確控制。

麥拉倫(McLaren)汽車公司展示的新款油電超跑Artura車型在重量方面有很大突破。該公司表示,最大限度地減重是全新電氣化動力傳動系統設計的關鍵,Artura集結了內燃機和電力的優勢於一身,從而為超級跑車的綜合性能和效率建立了新的基準。

4McLaren Artura油電超跑的電動馬達重量為15.4公斤,僅較傳統馬達的鐵轉子稍重些。

(圖片來源:McLaren)

電動馬達的軸向磁通設計是Artura的基準之一。其尺寸與McLaren煞車盤相近,僅重15.4公斤,比傳統的馬達鐵轉子略重一點,但卻可以產生高達95PS和225Nm的動力,同時能夠以接近靜音的純EV(BEV)模式下行駛30公里(4)。為Artura提供純電動功能的是一個7.4kW的五模組鋰離子能量密集型電池組,該電池組完全整合到Artura的McLaren輕型架構(MCLA)底盤中,位於駕駛座背後的較低車身位置,並整合至車內底板中,其三個側面主要由碳纖維結構保護,後面則受引擎的保護。這種低車身位置的佈局還有助於最佳化重心和極慣性矩,從而提高動態敏捷性。

新型的電暖、通風和空調系統也用於控制車輛座艙的溫度,它與混合動力電池一併位於冷卻歧管上。電池採用最初為McLaren Speedtail極速超跑開發的技術,使用介電油進行熱控制,該技術也可將電動馬達保持在一定的工作溫度下,以提供最高性能。

為了進一步最佳化封裝並減輕重量,電池管理單元被置於模組旁邊,配電單元(PDU)則整合於電池中。同時採用一個整合電源單元(IPU)作為車輛12V系統的DC/DC轉換器,這樣就不需要單獨的交流發電機和車載電池充電器,從而進一步減輕了重量(5)。

5McLaren Artura最大限度地減輕了重量,這是全新電氣化動力傳動系統設計的關鍵。

(圖片來源:Nitin Dahad)

Artura油電超跑駕駛可以將電動馬達的工作方式設置為優先考慮里程或者功率,或者選擇關閉內燃機以實現靜音行駛。其能量採集完全由內燃機提供,以保有煞車踏板的感覺。但在正常駕駛情況下,電池可以在幾分鐘內從低電量充電到滿電量的80%。

McLaren全球產品經理Ian Howshall解釋,Artura的整個架構都是全新的,可以因應所需的高壓電池。他同時指出,這款跑車最根本的變化是從大型線束結構轉向乙太網路(Ethernet)架構,加上還採用了分散式電子控制系統,以及針對不同域的獨立域電子控制單元(ECU)。這些變化都有助於減重,並且能夠在需要時縮短關鍵訊號的回應時間。

無規則賽車

展會上還展出了其他一些新款原型或實驗性的極速超跑,如McMurtry Automotive公司的實驗性純電動賽車,即概念賽車Spéirling。這家公司表示,他們從賽車的黃金時代就開始探索技術的創新路線,最終開發出適合當今賽車運動的終極無規則賽車。

McMurtry Automotive機械設計工程師David Turton說:「我們的目標是改變人們對小型汽車的看法,我們希望生產出超小型、快速、酷炫且高效的電動車。這次我們推出的無規則賽車類似於極速超跑,它呈現的技術激發了人們對小型電動車的熱情。」

David McMurtry

6:億萬富翁David McMurtry資助了Spéirling極速超跑的開發。(圖片來源:Renishaw)

這款賽車的研發由愛爾蘭億萬富翁和發明家David McMurtry爵士資助,他也是高精度測量公司Renishaw的創辦人(6)。McMurtry最初進入英國航太產業並接受學徒培訓,之後成為有史以來最年輕的勞斯萊斯(Rolls-Royce)引擎設計副總,參與設計了所有在英國Bristol的Filton城市製造的勞斯萊斯引擎。其間,他還發明了3D觸發式探頭以解決超音速協和(Concorde)飛機中Olympus引擎的測量問題,並於1973年與John Deer共同創立Renishaw Electrical公司,以實現產品的商業化。

因此,Turton解釋道:「我們非常幸運,在設計和製造這輛車的三年時間裡,公司創辦人David McMurtry爵士為我們提供了很大的支援。讓一個不同凡響的概念在這麼長的一段時間內完全保密,然後在世界最大的汽車賽事上揭曉其完全可以正常工作的原型,沒有幾家公司能夠做到這一點。」

McMurtry hypercar

7McMurtry Spéirling被認為是終極版「無規則賽車」,它展示了未來可能的創新技術路線。

(圖片來源:Nitin Dahad)

Turton表示,在Goodwood展出的McMurtry Spéirling是具有超低阻力的高性能概念賽車(7)。「這款車沒有前翼或後翼,下壓力是由車載下壓力系統按需求提供的——這是一個基於風扇的下壓力系統,利用超過80匹馬力的動力將賽車吸在賽道上。這意味著當賽車以極高的速度行駛時,風阻將會很小,從而可以降低能耗。即使時速為0也能獲得100%的下壓力,因此,無論是出發、急轉彎還是通過高速彎道,賽車始終都能獲得最大下壓力。」

他補充說,這款車外型小巧、設計緊湊且重量輕(低於1噸),其設計關鍵在於電池和底盤整合在一起。「我們反覆嘗試,將電池安裝在靠近駕駛座的位置、位於汽車的側面和駕駛人的腿部下方——我們公司已為這種電池佈局申請了專利。電池組中的電池單元擁有超高功率,能夠以極高的速率充電和放電。而且,由於賽車風阻極低,可以從兩方面受益,使用大功率來加速賽車並對其進行充電,低風阻則可以使賽車行駛速度更快、續航里程更長。另外,其電池電壓超過800V。」

我們從大多數工程師和產品經理那裡得到的一個明確資訊,即實驗性終極超跑(或甚至是那些即將投產的極速超跑)正不斷突破極限,並為這一技術導入一般車輛和其他領域的商業應用鋪路。

正如Turton所說的,「我們的長期目標在於生產可在公路上行駛的一般汽車,但展示前所未見的酷炫技術也很重要。」

(參考原文:EV Hypercars Push the Limits of Weight & Power Delivery,by Nitin Dahad)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2021年10月號雜誌

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