全電動方程式賽車的影響 

 

 

全球第一屆全電動方程式賽車將於2014年舉行,預計於十個城市的街道上進行競速賽事,其中包括了北京、洛杉磯、邁阿密、里約熱內盧、蒙特卡洛及柏林等城市。截至目前為止已有十隻隊伍參加比賽,除了熟知的賽車廠商外,還加入了電動車製造商和以綠色能源為研究方向的財團組織。

成立此賽事的主要目的是推廣高效率電動車,其除了具有極低的汙染排放量及使用便宜且純淨的電能動力等優點外,同時還擁有強悍的動力輸出特性,藉由比賽的型式表現,使得電動車科技更吸引眾人的目光,達到最佳宣傳的效果。全電動賽車可達到與傳統燃油賽車相同的加速性能及最高時速,以每小時240公里奔馳,時速由0到100公里僅需約2.9秒的加速時間。而這只是個開始,待電動車相關技術更為完善後,在本質上更有效率的馬達系統將協助電動賽車超越傳統燃油賽車。

雖然在動力輸出性能上,電動車擁有強大的未來潛力,但要與傳統燃油賽車一同下場比賽,恐怕仍有不足之處。最主要的差異在電池部份,電池的容量將會影響電動車的馬達輸出性能與車體重量,可惜這兩點是相違背的。輕的電池容量將無法供給馬達的輸出能量,導致加速性能及續航力受到抑制;而過重的電池則會拖垮賽車整體負載,影響行車性能。

在彎曲的街道上,電動車具有獨特的煞車回充能源運用技術,可使得電池負擔相對減輕,亦讓電動車在某些部份比傳統汽車更具競爭力。但長途運行駕駛仍會使電池容量衰減,無法支撐電動賽車的長時間續航力,而無法與傳統燃油賽車競爭。

有鑑於此,全電動方程式賽車有它特殊的比賽模式,每一隻隊伍將使用兩台相同規格的電動賽車,在一小時的比賽時間內,會有兩次強制性的進站以更換另一部電動賽車進行賽事。兩款車子於比賽的過程中,駕駛必須妥善運用電力能源,就如同F1賽車手必須妥善管理輪胎的損耗一般;但電動車賽事會更有壓力,一旦太早耗盡電池將無法完成比賽。

對觀眾而言,這樣的賽事規則也正凸顯了電動車的主要缺限。然而在一級方程式賽車中,有許多車迷也很喜歡欣賞賽車團隊快速且精準的補給更換能力。

所幸隨著電池科技的持續進步,全電動賽車的相關限制及比賽流程會持續的更新。這類型的電力驅動技術將持續的投入,如何使電池及驅動器的體積重量縮得更小更輕?瞬間輸出功率更大?提高電池單位體積能量密度?將鋰電池能量發揮到極限?這類型的研究主題將隨著全電車比賽而越來越多。

 

電動系統優勢

電動車擁有強悍的發展潛力,它不像引擎系統已經達到某種程度的瓶頸;電力電子的技術在現今的科技中仍持續不斷的演進,尤其是最近二十年中,電力電子已然成為最新最熱門的發展主軸。其中,鋰電池的發明更是進一步促使電動車發展,其儲存電能是傳統鉛酸電池的六到七倍;鋰是元素表中最輕的金屬,從80年代末開始普遍應用於消費性電子產品中,到了90年代則開始進入車輛系統中使用。

可惜,目前最好的電池所提供的單位體積能量密度仍沒辦法達到燃燒汽油的水準,但電動車馬達系統擁高達90%的能量轉換效率,是引擎系統無法相比的。引擎系統僅有14~26%的能量是實際提供車輛動力輸出的,其餘的則轉化為熱及或於廢氣中排出。

引擎的運作方式是先將燃油注入封閉空間內,加壓點火產生爆炸,使活塞受力產生上下移動,使用活塞運動力去推動龐大的曲軸,再經由飛輪及齒輪箱等傳輸機構將動力連結到驅動軸旋轉,最後才傳到輪胎使車子移動;這是個十分複雜且缺乏效益的傳動方法。

馬達系統中能量轉換效率高,且可採用簡單而直接的方式將能量傳導到輪胎上。以輪轂式馬達為例,將馬達與輪胎合為一體,只需要把電能傳導到馬達中,不需要其他複雜的機構,馬達就可以直接帶動輪胎旋轉。

引擎系統需依靠油門來操作車輛,但對馬達系統而言,控制的不再是油門節流閥,而是一組電子控制器。它依靠油門踩踏的深度來調整電源能量的運用,是屬於電能訊號的一種,其傳遞及執行的速度遠快於節流閥機構。這種電控模式使的電動車瞬間反應及加速度比傳統引擎更快得多。馬達系統另一項優點在於輸出扭矩大小完全靠電流供應,只要電池容量電流夠大,能使馬達極短的時間內就達到最高轉速輸出。以馬達系統來說,也不需要使用多段變速箱結構,它本身就擁有廣泛的操作轉速區間,從數十到數萬轉都可運行。這些都是電動車遠勝過燃油車的競爭優勢。

 

全電動賽車的設計與製造

    工程師們將有更多的空間、重量及效率來發展賽車的型態,而不用再受到引擎系統結構的種種限制。可自行選擇使用單一動力馬達或是四顆直接掛載於輪胎內的輪轂馬達做為賽車動力源,因此車體空間結構將極具變化性,新的流體優化車型也將誕生,車輛中的耦合齒輪等零配件都可重新設計,賽車整體的自由度大幅增加。

    當然,整個電動車系統中,最首要的設計挑戰目標,莫過於動力馬達;如何能用最小體積及重量,就將電能轉換成最大動能輸出,這將會是研發的主軸。

 

煞車能量

    雖然所有的賽車目標就是快,但仍會有需要減速的時候,尤其是在街道賽事中含有許多曲折的路況。

    在過去,傳統賽車需要耗費額外的能量來進行煞車動作,並且要想辦法解決煞車所產生的熱,避免高溫造成的煞車失靈。而電動車的馬達系統本身即可產生煞車效果,這代表能量不會流失並產生熱能,而是將煞車的動能轉換回電能型態,並儲存於電池或超級電容當中,待煞車模式結束後再供給馬達使用。當然,若是在單純的橢圓形賽道上,這種裝置根本無用武之地,但在街道賽事中將使電動車的彎道瞬間爆發力更為強大。藉由行車電腦控制馬達提供精確的煞車能量,並於轉出彎道時瞬間釋放前一刻所額外儲存的煞車能量,這種特殊的優勢將使傳統燃油賽車毫無招架之力。

 

從賽車到轎車

    電動車優異的表現並不局限於賽車場上,Tesla Model S被譽為年度2013最佳風雲車種,它0到60英里僅加速僅需要4.2秒,最高時速可達到209公里/小時,車內搭載了85Kwh的鋰電池,是市售最快的運動款轎車之一。

    特斯拉的創新使得整個電動車產業蓬勃發展,而全電動方程式賽車則是透過競速比賽的方式來推動電動車相關科技的進步,並將所有的創新技術成果藉由賽事表現給民眾,建立人們對於電動車的信心及興趣,更為容易的將電動車從賽車場上推展到市面道路中使用。

 

 

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