在全球各大城市舉辦這類比賽很有意義,因為這些城市在推廣電動汽車改善空氣品質方面,可作為表率。

筆者有幸與Andretti車隊的聯合負責人Roger Griffiths,以及與該團隊合作的TE Connectivity的機械工程師Judith Henzel進行了交談。

作為車隊的聯合負責人,Roger擔任Andretti Autosport車隊的賽車運動開發總監,負責Andretti Autosport競賽的所有領域,包括印地賽車階梯(INDYCAR ladder)和Andretti E級方程式,以及Volkswagen Andretti Rallycross。除作為Andretti E級方程式的聯合負責人外,他還是Andretti Technologies的重要人物,協助塑造電能在賽車運動中的未來。

每6個月,就會有一名新的TE Connectivity工程師被安排到印弟安納波利斯(Indianapolis),與車隊一起旅行,履行合作夥伴關係的使命。

Judith Henzel是在E級方程式賽事工作的三位女性工程師之一。在擔任此職前,她是TE Connectivity汽車產業的專案經理,負責監督原始設備製造商(OEM)的全球技術資訊娛樂專案。Judith擁有德國威斯巴登應用科學大學機械工程學位。

目前,由老闆Michael Andretti領銜的Andretti車隊排名第13位——13是義大利的幸運數字(圖1)。Andretti車隊剛剛在紐約布魯克林(Brooklyn,也是筆者的家鄉)完成了7月份的比賽,紐約是這些城市街頭賽事的全球主要城市之一,且是第三賽季的一部分。

20180109NT01P1 圖1 TE Connectivity Andretti Technologies的E級方程式測試車。(圖片來源:Team Andretti)

電子技術和感測器使車隊達到新的速度水準,同時利用TE Connectivity Andretti Technologies E級方程式測試車作為車輪上的創新實驗室:從賽道到公路——開發感測器和連接方案,使車輛更可靠、引擎更潔淨,且未來的汽車連接也將更豐富。

我記得,當我還是住在布魯克林的青少年時,我們會去布魯克林碼頭區,在星期六晚上觀看未經批准的比賽(60年代,布魯克林的事都未被批准)。那裡擠滿了年輕人,有些參加比賽,大多數是觀眾。不久前,E級方程式賽事在布魯克林紅鉤區的布魯克林遊輪碼頭批准的賽道上進行——這是我當年觀看短程加速賽事的同一個地方——勾起了我的回憶。

請記住,通常情況下,無論是否電氣化,任何賽車的構造通常都是非常保密的,因此很少有公開的資訊。不過,以下我將盡力從我能找到的技術資料中向讀者提供有關E級方程式賽車的完整技術概況。

前三個賽季

第一賽季中的所有10支車隊都使用了幾乎相同的硬體——這使得第一場比賽非常接近,直到最後才分出勝負。

˙第一賽季——2014/15年

在第一賽季,所有車隊都使用相同的指定底盤和動力總成。底盤由Spark Racing Technology(透過Dallara)製造,汽車電池由Williams Advanced Engineering提供,馬達和逆變器來自McLaren先進技術(基於該公司的P1超級跑車),五速變速箱由Hewland Engineering提供。

電池能量使用量設定在28kWh;峰值允許功率在競賽模式下為150kW,在排位賽模式下為200kW,競爭對手可在底盤設置和能源策略而非動力總成秘訣中找到獲勝籌碼。進入全新賽道對賽車工程團隊而言,只能有限制的建模和模擬。

˙第二賽季——2015/2016年

在第二賽季,被批准為製造商(constructor)的車隊可以建造自己的動力傳動系統;在該賽季開始的10支車隊中,有7支用自己的解決方案進行了比賽。電池繼續由Williams提供,相同的底盤將繼續使用,直到該賽事的第四賽季結束。Mahindra的M2Electro從第一賽季的賽車發展而來,採用了McLaren設計的動力總成,結合了四速Hewland變速箱,以及一些創新技術,以進一步提高效率。

也有許多來自其他車隊的新配置,傳動範圍從直驅直到五速。大多數車隊使用一個馬達,但有兩個車隊選擇嘗試雙馬達方案。比賽中允許的峰值功率提高到170kW,排位賽仍維持200kW;允許的能量使用量沒有改變,仍為28kWh。

˙第三賽季——2017/2018年

底盤和電池供應商仍保持不變;儘管能量和功率指標保持不變,但賽車電池已經被Spark(透過Williams)更新和升級。然而,再生制動下可回收能量的等級已從100kW提升至150kW。請參見之後的再生制動的章節。

系統設計

E級方程式賽車是一個前瞻性的賽車系列,專注於可移植到下一代道路車輛的技術。然而,賽車仍然完全由車手控制,可謂全電動E級方程式運動仍然是項真正的車手運動。

˙再生制動

車隊被允許利用再生制動(僅透過後橋)獲得能量的等級,已從第二賽季的100kW攀升至第三賽季的150kW。這個工作中需要考慮電動馬達和變速箱設計,因為設計師需要確保賽車的任何部分在再生的上限都不會接近出故障的狀況。

在第一賽季,當提供給車隊的標準零件不能應付再生引起的突然的反向負載時,有許多變速箱發生斷裂——這只是E級方程式中的特例。

由於液壓制動系統是固定的,不像其他運動中那樣動態變化——第二季的100kW容量導致制動平衡不一致,因此再生極限的增加可以使汽車更容易駕駛。借助現在第三季的150kW,汽車平衡將可望改善。

˙方向盤

在第一賽季,配備了一個法國製造的Spark XAP方向盤,具備彩色LCD顯示器、換擋提示燈和三個旋轉控制開關,方向盤後面有四個撥片(paddle)。兩個撥片用於換擋;一個用於再生設置;一個用於解鎖FanBoost電源。每個零件的功能都由標準的動力總成系統控制。

在第二賽季,因為引進了多家新的動力總成製造商,所以需要不同功能。現在,車隊被允許對第一賽季的標準零件設置進行定制。

第三賽季的XAP新裝置已經到位,可以完全配置。它有6個後撥片、6個控制旋鈕(其中一個控制制動偏置)、10個按鈕、一些LED警告燈和1個更大的彩色LCD儀錶板顯示器。6個撥片排成一排,較小的位於頂部和底部,將較大的撥片夾在中間。上方的四個撥片由磁鐵保持關閉,以便在拉動時做點擊動作,其中每個撥片都操控一個微動開關以產生「開關」效果,下方的兩個撥片裝有彈簧,因此與上方四個撥片相比,產生的效果是漸變的。

方向盤具有可定制功能表,以便車隊和車手可以訪問汽車的控制系統,便利性遠超上一版簡單的5頁功能表。在儀表板上方是一排LED燈,在第一賽季配置中用於指示何時變擋。還有個由三個LED組成的三角形陣列——它們是國際汽車聯盟(FIA)警示燈系統,會點亮一盞LED來匹配賽道邊比賽指揮者所揮舞的彩旗。

總體來講,在第三賽季和E級方程式競賽中,方向盤控制器數量的增多和控制軟體的開放,為車隊和車手提供巨大可能性。例子之一是變速箱換擋,這可以使用前四個撥片中的任一個甚至是按鈕實現。對於具有雙速變速箱的車隊(約為第三賽季參賽車隊的一半)來說,可以使用單一撥片進行換擋:按一下一次升擋,再擊降擋(中位通常透過單獨按鈕選擇)。在第三賽季,在再生制動下允許被捕獲的能量已經增加,這給了座艙內的駕駛更大的考慮空間。現在,因為駕駛知道能夠回收一些能量,能按計劃完成一個賽程,所以他們可立即決定,在比賽中的某些時刻是跑得更快還是更穩健地防守。

有些人認為,新的方向盤比大獎賽2(GP2)車所用的更複雜,但與一級方程式或世界耐力錦標賽(WEC)的勒芒原型車1組(LMP1)的方向盤相比尚不可同日而語。另外,車隊設置新方向盤的方式是保密的,僅可知車手和其車隊現在可以使用更多工具。

電氣系統設計

以下來看看電氣系統設計細節。

˙電池或可充電儲能系統(RESS)

圖2的方框圖是一款E級方程式賽車的典型電氣系統概況。就Andretti車型來說,其可充電儲能系統採用的是包含165塊電芯的28kWh電池組,可產生670V電源(可處理700V過衝),而在耗盡時維持500V低電壓。在典型比賽中,該系統通常能支援22~23分鐘的比賽時間。

20180109NT01P2 圖2 E級方程式賽車的電路框架圖。

為了符合FIA標準,他們需要使用電流感測器來監測電池的功率(kW)水準,以保證不會超過200kW。

電池管理系統(BMS)是RESS的組成部分,地位舉足輕重。Andretti車隊希望在不超過最大值的情況下,使電池控制系統盡可能工作在最高水準。理想情況下,他們希望連續工作在199.8kW,但也需要考慮瞬變和換擋峰值等情況,因此他們的工程師和技術人員需要對該系統進行微調。

由於微調,他們需要考慮內部溫度的冷卻、流經電動馬達的氣流量,以及最高溫度。取決於在世界的哪個地方比賽,環境溫度和海拔也需要考慮在內。最終,他們透過使用軟體回饋系統控制扭矩以處理變數。

圖2中,粗橙線是700V大功率線,細紅線是高壓互鎖線(用於安全電路)。如果安全電路的任何部分損壞,高壓側將不起作用。當電動汽車未加速時,電動馬達也發揮了發電機的作用,因此專業上電動馬達發電機組的首字母縮寫為MGU,而MGU連接到控制單元(CU)。此外,第二賽季還對逆變器進行了更改。

˙神經網路

E級方程式包含大量感測器,其輸出沿神經網路傳送到包含處理器(大腦)的CU或電子控制單元(ECU),如圖3、圖4。

20180109NT01P3 圖3 E級方程式神經網路就像人腦和神經系統一樣工作。(圖片來源:Current E)

比賽期間,車隊只能借助幾個管道瞭解賽車的一般「健康情況」,他們可以看到水壓、電池單元溫度和整個系統的電壓水準,不過這可能在未來發生改變。

20180109NT01P4 圖4 神經網路的關鍵。(圖片來源:Current E)

車手需要讀取方向盤上的能量消耗資料,以免超過能量/功率限制。目前車內還沒有遙測技術以供後勤維修人員在比賽時在跑道上即時無線監控資料。無線系統可能被駭客入侵,所以這可能是目前的限制因素。賽車返回維修點後,將連接到賽道側的處理系統,並下載資料。目前可下載的資料量已達到600MB,將來會更大。

˙動力總成

電動動力總成透過軟體和控制策略來實現E級方程式的最佳性能。軟體發展對車隊的成功至關重要,在未來賽季,可能成為左右車隊命運的決定性因素。

在第二賽季,車隊能夠選擇自己的動力總成設計(由於他們不得不使用McLaren設計,所以他們在第一賽季做不到)。在第二賽季,有八家製造商參與動力總成入選競爭。在第三賽季,Andretti車隊開發了自己的動力總成。

Griffiths向我解釋了內燃機與電動汽車(EV)動力總成間的差異。兩者都有個變速箱,但EV有電池和電動馬達,第二賽季對變速箱進行重大更改。

EV變速排擋通常採用方向盤上的撥片,它向ECU發送訊號。然後ECU檢查一切是否就位,如RPM和目標RPM是否正確、可用的電池電量、正確範圍內的可用扭矩—如果所有這些都在適當極限內,變速箱才會換擋。ECU向變速箱內的變速電磁閥(有兩個電磁閥,一個用於升擋,一個用於降擋)發送命令。圓筒(barrel)旋轉,然後電源中心為下一個換擋命令做好準備,並不需要預設。在第三賽季,Andretti車隊在輕型鎂/碳纖維殼體中,縱向設計三個速度的變速箱。

˙電動馬達

第二賽季也允許使用新馬達。在第三賽季,Andretti車隊將Magnetti Marelli的技術用於其單台縱向電動馬達和逆變器,並將它們與電動馬達固定在一起與車身成一直線,而Magnetti Marelli 逆變器直接安裝在電池上方(圖5)。

20180109NT01P5 圖5 Magnetti Marelli逆變器直接安裝在電池上方。(圖片來源:E級方程式)

Griffiths說,他的車隊定義了參數,主要是所需的扭矩有限制;他們還定義了峰值功率和最大啟動速度RPM,然後查看了該設計的封裝並定義了大小。根據所需的排位元賽功率、運行峰值功率和平均功率,他們考慮了電動馬達的工作週期。Griffiths說,產生170kW很容易,但平均功率如何?他們認為與較低的120kW相比,135kW可能導致溫度過高。

為了進行完整的設計分析,他們還必須考慮壓降和電動水泵功率與氣隙和磁鐵等因素。

《Design Optimization of Spoke-Type PM Motors for Formula E Racing Cars》這篇文章討論了在E級方程式馬達設計中,將輪輻式(spoke-type)永磁(PM)馬達概念用於高速和高扭矩密度牽引力的想法。

˙感測器

在像E級方程式這樣的現代賽車中,隨著更多的感測器提供更多的資料來監控、控制和傳送,所用電子產品的性能、封裝和互連實現變得越來越具挑戰性。

E級方程式賽車將有200個資料通道,提供必須收集和記錄、可生成千百萬位元組資料的資訊。這些資料有三種用途:一些資料被發送到駕駛顯示器;其他資料最終可透過遙控發送到維護站內的維護團隊進行即時分析,以便在賽程間歇時可在維護站進行調整;最後,比賽結束後將對所有資料進行分析。資料形成了關於E級方程式賽車性能的關鍵資訊,這將有助於調整機械和空氣動力學設置。感測器必須利用電纜元件(將來最終將採用光纖連接)連接到記錄資料的電腦。

有超過100個TE Connectivity連接器、感測器和電纜在支援MS Amlin Andretti E級方程式車隊方面發揮作用。

我與Henzel就車內感測器的設計和選擇進行了交談。一些有標示出來的感測器是加速度計(型號4630)、位置感測器、溫度感測器和用於油和變速箱的高壓感測器。

還有一個帶天線和GPS的FIA記錄儀和後輪速度感測器。汽車上有兩類感測器:一類是包含速度感測器、制動溫度感測器、踏板位置感測器、後懸架位置感測器、電池健康感測器和車輪位置感測器的標準套裝系列;另一類是在其車輛開發過程中演變的特定感測器。在動力總成開發過程中,他們發現需要測量空氣溫度,以及變速箱溫度。

Henzel發現引擎不像內燃機那樣發熱,整體振動也要小得多。我問他們是否使用光纖替換銅纜來減輕重量?Henzel回答說他們還沒有使用光纖,現在使用比銅線和連接器要輕的鋁質替代品,但在以後設計會考慮光纖。此外,還有三台攝影機分別安裝在電動馬達、賽車的前部和後部。

E級方程式賽車不能容忍類似軍工產業那樣的長開發週期。惡劣的賽車環境是評估可靠性和耐用性的重要檢驗場。

E級方程式Aquafuel G50:清潔能源和電網平衡

FIA總裁Jean Todt希望透過電動賽車展示可持續挹注發展技術的潛力。E級方程式的創始人暨執行長Alejandro Agag有一個願景:讓消費者切換到電動汽車,以實現可負擔和高效的駕駛。

2017年5月的巴黎賽事期間,E級方程式的賽事組織者向巴黎捐贈了一款零排放甘油(glycerine)發電機。發電機基於標準生產的柴油引擎,採用了Aquafuel用甘油做燃料的專利技術,燃料是生物柴油生產過程的副產品,非常乾淨。該發電機可用作建築物供電和供暖的固定發電機;也可用作移動式發電機,為E級方程式賽事甚或動力充電站等場合提供動力。

去年7月,E級方程式賽事在紐約布魯克林舉行。所有的賽車都使用碳中和甘油發電機進行充電,根本沒接入本地電網,全部40輛賽車可在50分鐘內使用自動化和精確的電源控制安全可靠地充滿電。

發電機基於標準的康明斯(Cummins)KTA50產品化柴油引擎,採用了Aquafuel的專利技術,可用甘油做為燃料。

零排放ePrix

Enel是E級方程式的正式動力合作夥伴,它透過其智慧能源解決方案,幫助限制與E級方程式賽事相關的運輸和比賽產生的排放。除了創新的潔淨能源發電、儲存和管理方案之外,Enel將利用其系列可再生能源工廠的綠色認證完全抵消紐約賽事的排放。

第四季——2017/18年

第四季於2017年12月2日開始在香港舉行。

(參考原文: Formula E: The electric vehicle moves to the racing circuit,by Steve Taranovich)