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电动终级跑车如何突破重量与动力传送极限?

2021-10-18 Nitin Dahad 阅读:
与我们进行交流的大多数制造商的共同目标是,尽量减轻车身重量以提升动力传送效率,利用智能气流管理减少空气阻力并提高性能,从而有效地将动力传送到车轴,使驾驶员可以精确控制。

前不久我曾提到,法拉利为了实现其电气化战略,任命了一位来自半导体行业的专家担任CEO。当时我并没想到,几周后我会参加一个超级跑车(Supercar)和终极跑车(Hypercar)展览,还将与汽车设计师谈论电动汽车(EV)和混合动力汽车的战略与设计挑战。Sjfednc

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图1:笔者在古德伍德赛道上。(图片来源:Nitin Dahad) Sjfednc

但是你瞧,就在几周前,领导让我报道古德伍德速度节(图1)。我从未参加过这项活动,也许因为它是赛车活动,与半导体行业没有太多关联。对参加展会的160,000名汽车发烧友中的大多数人来说,整整四天,听着赛道上的赛车咆哮,参观大型露天展场中的赛车、终极跑车、老爷车和高性能汽车,他们关注的只有性能、速度和汽车惊艳的外形。Sjfednc

很明显,当我开始与产品经理交谈并提出恰当的问题时,很容易就深入相关技术、动力总成系统、电子设备和通信架构,以及任何有助于提升速度、性能并减轻重量的探讨。Sjfednc

在这次展会上,电动终极跑车和纯内燃机(ICE)汽车同时亮相。每年仅生产五辆终极跑车的丹麦小公司Zenvo表示,他们没有生产纯电动终极跑车的计划,因为他们面向的客户是汽车发烧友。这家只有25人的公司推出的TSR-S超级跑车虽然是赛车(图2),但也完全可以合法地在普通道路上行驶;整个车辆完全在丹麦制造,包括所有电子设备和动力总成系统。有趣的是,他们选择使用标准iPad作为显示屏,因为iPad具有通用接口。Zenvo的CEO Angela Hartman告诉笔者,他们未来将考虑采用混合动力设计,但从10月开始还是先在美国销售TSR-S超级跑车,并将产量提高至每年20辆。Sjfednc

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图2:每年只生产五辆终极跑车的丹麦超跑公司Zenvo目前没有生产纯电动超级跑车的计划,但未来会考虑混合动力路线。(图片来源:Nitin Dahad)Sjfednc

与此同时,Lotus首席平台工程师Louis Kerr介绍了他们所开发的Lotus Evija。Lotus Evija是一款目前仍处于原型阶段的全电动终极跑车。尽管Lotus今年在古德伍德重点是推出其全新的Lotus Emira(这也是Lotus公司最后一次推出汽油发动机汽车),但Evija才是真正代表其未来设计方向的车型。Sjfednc

Evija的核心是由Lotus的技术合作伙伴威廉姆斯高级工程公司(Williams Advanced Engineering)开发的超先进全电动动力总成系统,这家公司以其在赛车活动中的成就而闻名,即实现了从一级方程式锦标赛到电动方程式铁杆赛前四个赛季的电气化。Evija的电池组安装在两个座椅正后方的中间,直接为四个独立控制的大功率密度电动机供电。同时,其四轮驱动动力系统的每个车轴上都集成了碳化硅逆变器和行星传动装置(图3)。Sjfednc

电动机和逆变器由Integral Powertrain公司提供。四个紧凑、超轻且高效的单速斜齿轮地面行星齿轮箱将动力传送到每个驱动轴。每个齿轮箱都与电动机和逆变器一起封装为圆柱形电气驱动单元(EDU),每个电动机的目标动力为500PS,这是精确传送如此大动力的最高效、最简单的工程解决方案。Sjfednc

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图3:Lotus Evija是一款目前处于原型阶段的全电动终极跑车。(图片来源:Nitin Dahad)Sjfednc

四个电动机实现了扭矩矢量控制,可在道路上提供良好的动态响应和敏捷性。这种全自动的自调节系统可以在几分之一秒内将动力传送到任意两个、三个或四个车轮。在赛道模式下,它能够为单个车轮增加更多动力、收小弯道半径,从而减少每圈的时间。Sjfednc

Kerr指出,电子设计中最大的挑战是降低控制逻辑的复杂性,以便实现对每个车轴的最佳控制。他补充说,Evija背后有一套完整的云连接计算解决方案,其主要目标是监控可能位于世界任何地方的汽车,可靠预测客户何时需要汽车维护,以便提供相应支持。Sjfednc

终极目标:车身减重Sjfednc

与我们进行交流的大多数制造商的共同目标是,尽量减轻车身重量以提升动力传送效率,利用智能气流管理减少空气阻力并提高性能,从而有效地将动力传送到车轴,使驾驶员可以精确控制。Sjfednc

McLaren汽车公司展示的新款Artura车型在重量方面有很大突破。该公司表示,最大限度地减重是全新电气化动力总成系统设计的关键,Artura将内燃机优势和电力优势集于一身,为超级跑车的综合性能和效率建立了新的基准。Sjfednc

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图4:McLaren Artura电动机重量为15.4公斤,仅稍重于传统的铁转子。(图片来源:McLaren)Sjfednc

电动机的轴向磁通设计是Artura基准之一。它的尺寸与McLaren制动盘相近,仅重15.4公斤,比传统的铁转子略重一点,但却可以产生高达95PS和225Nm的动力,同时能够在接近静音的纯电动模式下行驶30公里(图4)。为Artura提供纯电动功能的是一个7.4kW的五模组锂离子能量密集型电池组,该电池组完全集成到Artura的McLaren轻型架构(MCLA)底盘中,位于驾驶员背后,并整合到车内底板中,其三个侧面主要被碳纤维结构保护,后面则受发动机的保护。这种布局还有助于优化重心和极惯性矩,从而提高动态敏捷性。Sjfednc

新型电暖、通风和空调系统也用于控制座舱内的温度,它与混合动力电池一起位于冷却歧管上。电池采用最初为McLaren Speedtail开发的技术,使用介电油进行热控制,该技术也可将电动机保持在一定的工作温度下,以达到最高性能。Sjfednc

为了进一步优化封装并减轻重量,电池管理单元被置于模组旁边,配电单元(PDU)则集成在电池中。同时采用一个集成电源单元(IPU)作为车辆12V系统的DC/DC转换器,这样就不需要单独的交流发电机和车载电池充电器,从而进一步减轻了重量(图5)。Sjfednc

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图5:McLaren Artura最大限度地减轻了重量,这是全新电气化动力总成系统设计的关键。(图片来源:Nitin Dahad)Sjfednc

Artura驾驶员可以将电动机的工作方式设置为优先考虑里程或者功率,或者选择关闭内燃机以实现静音行驶。其能量完全由内燃机提供,保持了制动踏板的感觉。在正常驾驶条件下,电池可以在几分钟内从低电量充电到满电量的80%。Sjfednc

McLaren全球产品经理Ian Howshall解释说,Artura的整个架构都是全新的,可以使用所需的高压电池。他同时指出,这款跑车最根本的变化是从大型线束结构转向了以太网架构,同时采用了分散式电子控制系统,以及针对不同域的独立域电子控制单元(ECU)。这些变化都有助于减重,并能够在需要时缩短关键信号响应时间。Sjfednc

无规则赛车Sjfednc

展会上还展出了其他一些新型或实验性终极跑车,如McMurtry汽车公司的实验性纯电动赛车,即概念赛车Spéirling。这家公司表示,他们从赛车的黄金时代就开始探索技术的创新路线,最终开发出适合当今赛车运动的终极无规则赛车。Sjfednc

McMurtry机械设计工程师David Turton告诉笔者:“我们的目标是改变人们对小型汽车的看法,我们希望生产出超小型、快速、酷炫且高效的电动汽车。这次我们推出的无规则赛车类似于终极跑车,它呈现的技术激发了人们对小型电动汽车的热情。”Sjfednc

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图6:亿万富翁David McMurtry爵士资助了Spéirling终极跑车的开发。(图片来源:Renishaw公司)Sjfednc

这款赛车的研发由爱尔兰亿万富翁和发明家David McMurtry爵士资助,他也是高精度测量公司Renishaw的创始人(图6)。McMurtry爵士最初进入的是英国航空航天业并接受学徒培训,之后成为有史以来最年轻的劳斯莱斯发动机设计副总,参与设计了所有在Bristol的Filton市制造的劳斯莱斯发动机。其间,他发明了3D触发式探头来解决超音速协和式飞机中奥林巴斯发动机的测量问题,并于1973年与John Deer共同创立了Renishaw电气公司,以实现产品的商业化。Sjfednc

Turton解释道:“我们非常幸运,在设计和制造这辆车的三年时间里,公司创始人David McMurtry爵士为我们提供了很大的支持。让一个不同凡响的概念在这么长的一段时间内完全保密,然后在世界最大的汽车赛事上揭晓可以工作的原型,没几个公司能够做到这一点。”Sjfednc

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图7:McMurtry Spéirling被认为是终极版“无规则赛车”,它展示了未来可能的创新技术路线。(图片来源:Nitin Dahad)Sjfednc

Turton表示,在古德伍德展出的McMurtry Spéirling是具有超低阻力的高性能概念赛车(图7)。“这款车没有前翼或后翼,下压力是由车载下压力系统按需提供的——这是一个基于风扇的下压力系统,利用超过80马力的动力将赛车吸在赛道上。这意味着当赛车以极高的速度行驶时,风阻将很小,从而可以降低能耗。即使时速为0也能获得100%的下压力,因此,无论是出发、急转弯还是通过高速弯道,赛车始终都能获得最大下压力。”Sjfednc

他补充说,这款车外型小巧、设计紧凑且重量轻(低于一吨),设计关键在于电池和底盘集成在一起。“我们反复尝试,将电池安装在靠近驾驶员的位置、位于汽车的侧面和驾驶员的腿部下方——我们公司已为这种电池布局申请了专利。电池组中的电池单元拥有超高功率,能够以极高的速率充电和放电。而且,由于赛车风阻极低,可以从两方面受益,使用大功率来加速赛车并对其进行充电,低风阻则可以使赛车行驶速度更快、里程更长。另外,其电池电压超过800V。”Sjfednc

我们从大多数工程师和产品经理那里得到了一个明确信息,即试验性终极跑车(甚至是那些即将投产的超跑)不断突破极限,为这一技术进入普通汽车和其他领域的商业应用铺平了道路。Sjfednc

正如Turton所说,“我们的长期目标是生产在公路上行驶的普通汽车,但展示前所未见的酷炫技术也很重要。”Sjfednc

(原文刊登于EDN姐妹网站EETimes美国版,参考链接:Pushing the Limits of Weight & Power Delivery in EV Hypercars,由Jenny Liao编译。)Sjfednc

本文为《电子技术设计》2021年10月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里Sjfednc

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Nitin Dahad
EE Times欧洲记者。Nitin Dahad是EE Times的欧洲记者。
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