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E级方程式赛车:电动车开上赛道

时间:2018-01-05 作者:Steve Taranovich 阅读:
E级方程式赛事正在全球10个不同城市的街道上举办。当电动发动机在跑道上启动时,基本上没有发动机的“吼叫声”,在空气中也闻不到高辛烷值燃料的气味。在全球各大城市举办这类比赛很有意义,因为这些城市在推广电动汽车改善空气质量方面,可以起到表率作用。

E级方程式赛事正在全球10个不同城市的街道上举办。当发令员说“先生们,启动你的发动机”,当强大的电动发动机在跑道上启动时,你或许可以听到轻轻的按键声和轮胎发出的尖刺声,但是基本上没有发动机的“吼叫声”或空气中也闻不到高辛烷值燃料的气味(普通商用汽车噪声70dB;公交车90dB;E级方程式80dB;一级方程式150dB)。看这个视频。E级方程式赛事正在全球10个不同城市的街道上举办。当发令员说“先生们,启动你的发动机”,当强大的电动发动机在跑道上启动时,你或许可以听到轻轻的按键声和轮胎发出的尖刺声,但是基本上没有发动机的“吼叫声”或空气中也闻不到高辛烷值燃料的气味(普通商用汽车噪声70dB;公交车90dB;E级方程式80dB;一级方程式150dB)。看这个视频

在全球各大城市举办这类比赛很有意义,因为这些城市在推广电动汽车改善空气质量方面,可以起到表率作用。

我有幸与Andretti车队的联合负责人Roger Griffiths以及与该团队合作的TE Connectivity的机械工程师Judith Henzel进行了交谈。

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图1:Andretti车队的联合负责人Roger Griffiths

作为车队的联合负责人,Roger担任Andretti Autosport车队的赛车运动开发总监,负责Andretti Autosport竞赛的所有领域,包括印地赛车阶梯(INDYCAR ladder)和Andretti E级方程式,以及Volkswagen Andretti Rallycross。除作为Andretti E级方程式的联合负责人外,他还是Andretti Technologies的重要人物,帮助塑造电能在赛车运动中的未来。

每6个月,就会有一名新的TE工程师被安排到印第安纳波利斯,与车队一起旅行,而履行合作伙伴关系的使命。

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图2:TE Connectivity的机械工程师Judith Henzel,与Andretti车队一起工作。

Judith Henzel是在E级方程式赛事工作的三位女性工程师之一。在担任此职前,她是TE汽车行业的项目经理,负责监督原始设备制造商(OEM)的全球技术信息娱乐项目。Judith拥有德国威斯巴登应用科学大学机械工程学位。

目前,由老板Michael Andretti领衔的Andretti车队排名第13位——13是意大利的幸运数字(图3)。Andretti车队刚刚在纽约布鲁克林(我的家乡)完成了7月份的比赛,纽约是这些城市街头赛事的全球主要城市之一。这是第三赛季的一部分。

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图3:TE Connectivity Andretti Technologies的E级方程式测试车(图片由Team Andretti提供)

电子技术和传感器帮助车队达到新的速度水平,同时利用TE Connectivity Andretti Technologies E级方程式测试车作为车轮上的创新实验室:从赛道到公路——开发传感器和连接方案,使车辆更可靠,发动机更清洁,明天的汽车连接更丰富。

我记得,当我还是住在布鲁克林的青少年时,我们会去布鲁克林码头区,在星期六晚上观看未经批准的比赛(六十年代,布鲁克林的事都是未被批准的)。那里挤满了年轻人,有些参加比赛,大多数是观众。不久前,E级方程式赛事在布鲁克林红钩区的布鲁克林游轮码头批准的赛道上进行——这是我当年观看短程加速赛事的同一个地方——勾起了我的这些回忆。

请记住,通常情况下,无论是否电气化,任何赛车由于通常都是非常保密的,因此很少有公开的信息。不过,下面我将尽力从我能找到的技术资料中向你提供有关E级方程式赛车的完整技术概况。

前三个赛季1

第一赛季中的所有十支车队都使用了几乎相同的硬件——这使得第一场比赛非常接近,直到最后才分出胜负。

第一赛季——2014/15年

在第一赛季,所有车队都使用相同的指定底盘和动力总成。底盘由Spark Racing Technology(通过Dallara)制造,汽车电池由Williams Advanced Engineering提供,电机和逆变器来自迈凯轮先进技术公司(基于该公司的P1超级跑车),五速变速箱由Hewland Engineering提供。

电池能量使用量设定在28kWh;峰值允许功率在竞赛模式下为150kW,在排位赛模式下为200kW。竞争对手可在底盘设置和能源策略而非动力总成秘诀中找到获胜筹码。进入全新赛道使建模和仿真只对赛车工程团队起有限帮助。

第二赛季——2015/2016年

在第二赛季,被批准为制造商(constructor)的车队可以建造自己的动力传动系统;在该赛季开始的10支车队中,有7支用自己的解决方案进行了比赛。电池继续由Williams提供,相同的底盘将继续使用,直到该赛事的第四赛季结束。Mahindra的M2Electro从第一赛季的赛车发展而来,采用了迈凯轮设计的动力总成,结合了四速Hewland变速箱以及一些创新技术,以进一步提高效率。详见以下视频。

也有许多来自其它车队的新配置,传动范围从直驱直到五速。大多数车队使用一个电机,但有两个车队选择尝试双电机方案。比赛中允许的峰值功率提高到170kW,排位赛仍维持200kW;允许的能量使用量没有改变,仍为28kWh。

第三赛季——2017/2018年

我们现在在第三赛季。底盘和电池供应商仍保持不变;尽管能量和功率指标保持不变,但赛车电池已经被Spark(通过Williams)更新和升级。然而,再生制动下可回收能量的等级已从100kW提升至150kW。请参见下面的再生制动部分。

系统设计

E级方程式赛车是一个前瞻性的赛车系列,专注于可移植到下一代道路车辆的技术。然而,赛车仍然完全由车手控制。全电动E级方程式运动仍然是项真正的车手运动。

再生制动

车队被允许通过再生制动(仅通过后桥)获得能量的等级,已从第二赛季的100kW攀升至第三赛季的150kW。这个工作中需要考虑电动机和变速箱设计,因为设计师需要确保赛车的任何部分在再生的上限都不会接近出故障的状况。

在第一赛季,当提供给车队的标准件不能应付再生引起的突然的反向负载时,有许多变速箱发生断裂——这只是E级方程式中的特例。

由于液压制动系统是固定的,不像其它运动中那样动态变化——第二季的100kW容量导致制动平衡不一致,因此再生极限的增加可以使汽车更容易驾驶。借助现在第三季的150kW,汽车平衡将有望改善。

方向盘1

在第一赛季,有一个法国造的Spark XAP方向盘。它具有彩色LCD显示屏、换挡提示灯和三个旋转控制开关,方向盘后面有四个拨片(paddle)。两个拨片用于换挡,一个用于再生设置,一个用于解锁FanBoost电源。每个部件的功能都由标准的动力总成系统控制。

在第二赛季,因为引进了多家新的动力总成制造商,所以需要不同功能。现在,车队被允许对第一赛季的标准部件设置进行定制。

第三赛季的XAP新装置已经到位,可以完全配置。它有6个后拨片、6个控制旋钮(其中一个控制制动偏置)、10个按钮、一些LED警告灯和1个更大的彩色LCD仪表盘显示器。6个拨片排成一排,较小的位于顶部和底部,将较大的拨片夹在中间。上方的四个拨片由磁铁保持关闭,以便在拉动时做点击动作;其中每个拨片都操控一个微动开关以产生“开关”效果。下方的两个拨片装有弹簧,因此与上方四个拨片相比,产生的效果是渐变的。

方向盘具有可定制菜单,以便车队和车手可以访问汽车的控制系统,便利性远超上一版简单的5页菜单。在仪表盘上方是一排LED灯,在第一赛季配置中用于指示何时变挡。还有个由三个LED组成的三角形阵列——它们是FIA警示灯系统,会点亮一盏LED来匹配赛道边比赛指挥者所挥舞的彩旗。

总体来讲,在赛季三和E级方程式竞赛中,方向盘控制器数量的增多和控制软件的开放,为车队和车手提供了巨大可能性。例子之一是变速箱换挡,这可以通过前四个拨片中的任一个甚至是按钮来实现。对于具有双速变速箱的车队(约为赛季三参赛车队的一半)来说,可以使用单一拨片进行换挡:单击一次升挡,再击降挡(中位通常通过单独按钮选择)。在赛季三,在再生制动下允许被捕获的能量已经增加,这给了座舱内的驾驶员更大的考虑空间。现在,因为他们知道能够回收一些能量,而能按计划完成一个赛程,所以他们可以立即决定,在比赛中的某些时刻是跑得更快还是更稳健地防守。

有些人认为,新的方向盘比大奖赛2(GP2)车所用的更复杂,但与1级方程式(F1)或世界耐力锦标赛(WEC)的勒芒原型车1组(LMP1)的方向盘相比尚不可同日而语。

车队设置其新方向盘的方式是保密的,车手和其车队现在可以使用更多工具。

电气系统设计

电池或可充电储能系统(RESS)

图4的方框图是一款E级方程式赛车的典型电气系统概况。就Andretti车型来说,其可充电储能系统(RESS)采用的是包含165块电芯的28kWh电池组,可产生670V电源(可处理700V过冲),而在耗尽时维持500V低电压。在典型比赛中,该系统通常能支持22到23分钟的比赛时间。

为了符合FIA标准,他们需要使用电流传感器来监测电池的功率(kW)水平,以保证不会超过200kW。

电池管理系统(BMS)是RESS的组成部分,它举足轻重。Andretti车队希望在不超过最大值的情况下,使电池控制系统尽可能工作在最高水平。理想情况下,他们希望连续工作在199.8kW,但也需要考虑瞬变和换挡峰值等情况,因此他们的工程师和技术人员需要对该系统进行微调。

由于微调,他们需要考虑内部温度的冷却、流经电动机的气流量以及最高温度。取决于在世界的哪个地方赛车,环境温度和海拔也需要考虑在内。最终,他们通过使用软件反馈系统控制扭矩来处理变量。

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图4:E级方程式赛车的电路框图

图4中,粗橙线是700V大功率线,细品红线是高压互锁线(用于安全电路)。如果安全电路的任何部分损坏,高压侧将不起作用。当电动汽车未加速时,电动机也起着发电机的作用,因此专业上电动机发电机组的首字母缩写为MGU。MGU连接到控制单元(CU)。

第二赛季还对逆变器进行了更改。

神经网络

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图5:E级方程式神经网络就像人脑和神经系统一样工作(图片由Current E提供)

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图6:神经网络的关键(图片由Current E提供)

E级方程式包含大量传感器,其输出沿神经网络传送到包含处理器(大脑)的CU或电子控制单元(ECU)。比赛期间,车队只能借助几个渠道了解赛车的一般“健康情况”。他们可以看到水压、电池单元温度和整个系统的电压水平。这可能在将来改变。

车手需要读取方向盘上的能量消耗数据,以免超过能量/功率限制。目前车内还没有遥测技术以供后勤维修人员在比赛时在跑道上实时无线监控数据。无线系统可能被黑客入侵,所以这可能是目前的限制因素。赛车返回维修点后,将连接到赛道侧的处理系统,并下载数据。目前可下载的数据量已达到600MB,将来会更大。

动力总成

电动动力总成通过软件和控制策略来实现E级方程式的最佳性能。软件开发对车队的成功至关重要,在未来赛季,可能成为左右车队命运的决定性因素。

在第二赛季,车队能够选择自己的动力总成设计(由于他们不得不使用迈凯轮设计,所以他们在第一赛季做不到)。在第二赛季,有八家制造商参与动力总成入选竞争。在第三赛季,Andretti车队开发了自己的动力总成。

Griffiths向我解释了内燃机与电动汽车(EV)动力总成之间的差异。两者都有个变速箱,但EV有电池和电动机。第二季对变速箱进行了重大更改。

EV变速排挡通常采用方向盘上的拨片,它向ECU发送信号。然后ECU检查一切是否就位,如RPM和目标RPM是否正确、可用的电池电量、正确范围内的可用扭矩——如果所有这些都在适当极限内,变速箱才会换挡。ECU向变速箱内的变速电磁阀(有两个电磁阀——一个用于升挡,一个用于降挡)发送命令。圆筒(barrel)旋转,然后电源中心为下一个换挡命令做好准备。并不需要预期。在第三赛季,Andretti车队在轻型镁/碳纤维壳体中,纵向设计了三个速度的变速箱。

电动机

第二赛季也允许使用新电机。在第三赛季,Andretti车队将Magnetti Marelli的技术用于其单台纵向电动机和逆变器,并将它们与电动机固定在一起与车身成一直线,而Magnetti Marelli 逆变器直接安装在电池上方(图7)。

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图7:Magnetti Marelli逆变器直接安装在电池上方(图片由E级方程式提供)

Griffiths说,他的车队定义了参数,主要是所需的扭矩有限制;他们还定义了峰值功率和最大启动速度RPM。然后他们查看了该设计的封装并定义了大小。根据所需的排位赛功率、运行峰值功率和平均功率,他们考虑了电动机的占空比。Griffiths说,产生170kW很容易,但平均功率如何?他们认为与较低的120kW相比,135kW可能导致过高温度。

为进行完整的设计分析,他们还必须考虑压降和电动水泵功率与气隙和磁铁等因素。

参考文献2讨论了在E级方程式电机设计中,将轮辐式(spoke-type)永磁(PM)电机概念用于高速和高扭矩密度牵引力的想法。图8显示了用Motor-CAD开发的18槽、16极、轮辐式IPM电机的集总参数(lumped parameter)热网络。

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图8:18槽、16极、轮辐式IPM电机的集总参数热网络(参考文献2提供)

传感器

在像E级方程式这样的现代赛车中,随着更多的传感器提供更多的数据来监控、控制和传送,所用电子产品的性能、封装和互连实现变得越来越具挑战性。

E级方程式赛车将有200个数据通道,提供必须收集和记录、可生成千兆字节数据的信息。这些数据有三种用途:一些数据被发送到驾驶员显示器;其它数据最终可以通过遥测发送到维护站内的维护团队进行实时分析,以便在赛程间歇时可在维护站进行调整;最后,比赛结束后将对所有数据进行分析。数据形成了关于E级方程式赛车性能的关键信息,这将有助于调整机械和空气动力学设置。传感器必须通过电缆组件(将来最终将采用光纤连接)连接到记录数据的计算机。

有超过100个TE连接器、传感器和电缆在支持MS Amlin Andretti E级方程式车队方面发挥作用。在这个视频中,可看到Judith Henzel在做她喜欢的事:

我与Henzel就车内传感器的设计和选择进行了交谈。一些标出的传感器是加速度计型号4630)、位置传感器、温度传感器和用于油和变速箱的高压传感器。请观看此视频以获取更多详细信息,并参见图9。(注:铝连线已经过讨论和测试,但迄今没有采用。)

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图9:E级方程式传感器(图片由TE Connectivity提供)

还有一个带天线和GPS的FIA记录仪和后轮速度传感器。汽车上有两类传感器:一类是包含速度传感器、制动温度传感器、踏板位置传感器、后悬架位置传感器、电池健康传感器和车轮位置传感器的标准车套装系列。另一类是在其车辆开发过程中演变的特定传感器。在动力总成开发过程中,他们发现需要测量空气温度以及变速箱温度

Henzel发现发动机不像内燃机那样发热,整体振动也要小得多。

我问他们是否使用了光纤替换铜缆来减轻重量?Henzel回答说他们还没有使用光纤,他们现在使用比铜线和连接器要轻的铝质替代品,但在以后设计中会考虑光纤。

还有三台摄像机分别安装在电动机、赛车的前部和后部。

E级方程式赛车不能容忍类似军工产业那样的长开发周期。恶劣的赛车环境是评估可靠性和耐用性的重要检验场。

E级方程式 Aquafuel G50:清洁能源和电网平衡

FIA(国际汽联)总裁Jean Todt希望通过电动赛车展示可持续发展技术的潜力。E级方程式的创始人兼首席执行官Alejandro Agag有一个愿景:让消费者切换到电动汽车,以实现可负担和高效的驾驶。

2017年5月的巴黎赛事期间,E级方程式的赛事组织者向巴黎捐赠了一款零排放甘油(glycerine)发电机。发电机基于标准生产的柴油发动机,采用了Aquafuel用甘油做燃料的专利技术。燃料是生物柴油生产过程的副产品,非常洁净。该发电机可用作建筑物供电和供暖的固定发电机;也可用作移动式发电机,为E级方程式赛事甚或动力充电站等场合提供动力。

7月,E级方程式赛事在纽约布鲁克林举行。所有的赛车都使用碳中和甘油发电机进行充电,根本没接入本地电网。所有40辆赛车可在50分钟内通过自动化和精确的电源控制安全可靠地充满电。

发电机基于标准的康明斯KTA50产品化柴油发动机,采用了Aquafuel的专利技术,可用甘油为燃料。

零排放ePrix

Enel是E级方程式的正式动力合作伙伴,它通过其智能能源解决方案,帮助限制与E级方程式赛事相关的运输和比赛产生的排放。除了创新的清洁能源发电、储存和管理方案之外,Enel将通过其系列可再生能源工厂的绿色认证完全抵消纽约赛事的排放。

第四季——2017/18年

第四季已于2017年12月2日开始在香港举行。你可以在这里查看2017/2018比赛日程(需要在FIA E级方程式赛事网站上注册)。

参考文献

  1. Current E
  2. Design Optimization of Spoke-Type PM Motors for Formula E Racing Cars, Alireza Fatemi, Dan M. Ionel, Mircea Popescu, and Nabeel A. O. Demerdash, IEEE 2016
  3. A New Formula for Formula E, Lucas Laursen, IEEE Spectrum magazine, October 2015
  4. Evolution to revolution: The future of connected & electrified powertrains in vehicles, TE Connectivity, 2017

《EDN电子技术设计》2018年1月刊版权所有,转载请注明来源及链接。

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本文为EDN电子技术设计 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
Steve Taranovich
EDN资深技术编辑。Steve Taranovich是EE Time姊妹网站Planet Analog的主编,也是EDN的高级技术编辑。 Steve在电子行业拥有40年的从业经验。 他在纽约布鲁克林理工大学获得电子工程硕士学位,在纽约布朗克斯纽约大学获得BEEE学位。 他还是IEEE长岛教育活动委员会主席。 他在Burr-Brown和德州仪器公司工作多年,在模拟设计方面有丰富的经验,并有着嵌入式处理的教育背景。 Steve做了16年的电路设计工程师,随后他成为Burr-Brown Corp的首批现场应用工程师之一,并成为他们首批前往欧洲、印度和中国的全球客户经理之一。
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