动力与性能:电动方程式电池

威廉姆斯高级工程公司(Williams Advanced Engineering)运营经理、电动方程式赛车(Formula E)电池设计项目负责人加里•埃克罗德(Gary Ekerold)表示，电池就是汽车。这是一个很难理解的评论，直到你看到电池本身。

它是一个巨大的梯形块，包裹在碳纤维复合材料中，布满了软管和锚点;甚至比一级方程式赛车的引擎还要大。驾驶员的单壳式安全单元固定在一侧，逆变器、电机组件和后悬架组件固定在另一侧，使其成为汽车的主要结构部件，这是电动汽车所独有的。当我们通常谈论结构电池时，我们指的是可以储存电能的车身材料;我们讨论的并不是那些真正把赛车连在一起，承受弯矩、压力和赛车与路面相互作用产生的力的东西——尤其是在赛车速度下。

“电池就是汽车。在你看到电池本身之前，很难理解这个评论

威廉姆斯先进工程公司成为客户汽车电池供应商的过程比汽车供应商联盟的其他成员要曲折得多。埃克罗德解释说:“另一家OEM原本是排队供应电池的，但当它看到说明书的细节时，就退出了。”“因此，在达拉拉(负责设计和制造车身)和迈凯轮(负责制造发动机及其管理系统)六个月后，我们加入了这个联盟。”我们是在2013年6月加入的，这意味着我们只有不到一年的时间来完成这个项目。”

对于赛车公司来说，紧凑的时间安排并不罕见，但与通常是死对头的公司进行如此程度的合作却很少见。此外，该小组加入一个项目时，其贡献的许多重要参数已经由其他伙伴设定。特别是，混合动力系统首席技术专家和电池电子方面的设计负责人Okan Tur指出，它的尺寸已经确定，以便Dallara和Spark Racing Technologies(负责交付整辆车的主要联盟成员)可以继续进行设计。图尔说:“当我们参加招标时，我们得到了一份基于当天国际汽联规定和Spark Racing Technologies现有设计地位的需求规范。”“我们得到了一个预先确定的电池盒尺寸，因为电池是赛车的一个结构部件，所以必须根据国际汽联的一些规则和规定来设计。在我们加入车队六个月的时候，外部尺寸已经确定了——尽管电池盒本身还没有设计出来。”

“两个项目——一级方程式的KERS和捷豹CX-75超级跑车的电池系统——给了我们应对这一挑战的可信度

加里Ekerold

其他参数是基于电池必须提供的性能。“在高水平上，国际汽联规定电池的最大功率为200千瓦，当时包括再生制动的贡献在内，总可用能量被限制在30千瓦时。无论我们使用何种化学材料，电池的重量都限制在200公斤以内。”为了配合迈凯轮在发动机上的工作，威廉姆斯提供了一个电压范围和两个“黄金圈”性能配置文件——一个用于排位赛，一个用于比赛——为发动机的预期性能提供动力。“所以我们知道我们必须做什么，需要在多少个比赛周末进行多少次循环。该团队还知道电池的冷却要求，并且必须在一小时内充满电。

威廉姆斯对这个领域并不陌生。Ekerold说，它的电池经验始于为一级方程式赛车开发自己的KERS(动能回收系统)，该系统最初是一个飞轮系统(其基础系统最近已出售给GKN)，然后转向电池。2012年，高级工程部门成立，为汽车客户提供专业服务，该部门利用其设计KERS电池的经验，为捷豹CX-75概念混合动力超级跑车制造电池系统。埃克罗德说，这两个项目给了我们应对这一挑战的信誉。

电池性能的限制和有限的时间意味着电池化学成分的选择是有限的;他们无法开发和测试新的化学物质，尽管威廉姆斯参与了技术战略委员会资助的项目。因此，Tur从现有的供应商那里选择了现成的电池，这些电池具有良好的锂离子聚合物化学特性。他说，我们的第一个挑战是把它装进盒子里。“从体积的角度来看，这很好:我们有足够的体积来容纳足够的细胞，为我们提供所需的存储空间。”但现有电池的外形因素都不合适，所以我们的设计工程师不得不投入大量精力，在那个盒子里想出一个非常困难的机械安排。“这不仅包括让电池安装到位，还包括分配液体冷却系统，使它们保持在一个热‘最佳位置’，以优化它们在整个比赛期间的表现;这使得该电池与所有商用电动汽车(EV)电池系统不同，后者都是空气冷却的，而且功率能量比也要高得多。

电池的设计是模块化的，由Dallara、Spark和负责系统集成的雷诺Sport F1组成的四方联盟进行设计。图尔说:“这是基于KERS电池作为起点，因为它已经集成了必要的电子、热和电磁保护层。”盒子和单元模块都有结构元素，这些元素有助于盒子的整体机械性能，并且现场系统必须通过国际汽联的所有碰撞测试协议。埃克罗德说，我不知道还有谁在对电动汽车电池进行如此程度的碰撞测试。

从下个赛季开始，电动方程式开放，车队可以开发自己的赛车，而不是使用联盟的客户车辆;由于这个原因，威廉姆斯电池的许多技术方面——比如精确的化学成分——都是保密的。但由于该系列赛的规则是专门设计来鼓励动力系统而不是空气动力学方面的创新，图尔和埃克罗德确信电池性能会得到改善。埃克罗德说:“当然，我们还没有参加过比赛，但我们从F1中知道，一旦你让车手参与进来，他们就会测试你的技术的极限，并帮助你确定需要改进的地方。”“如果我们从一开始就参与这个项目，我们可以做很多不同的事情，”图尔补充说。

埃克罗德说:“很容易看出，电动方程式赛车将成为电动汽车技术的温床，它的设立是为了让这些技术更容易转移到传统的公路车辆上。”“我确实认为，我们需要在电池技术上进行一步变革，以帮助电动汽车更好地打入市场，但赛车运动是实现这一变革的最佳方式;如果电动方程式流行起来——我认为它会的——这将是一个非常强大的动力来加速这项技术，给车队带来他们想要向支持者展示的胜利。”

威廉姆斯希望继续参与电动方程式，尽管图尔和埃克罗德不能说以何种形式:一旦赛季进入全面展开，商业讨论必然会开始。“就整个动力系统而言，我们在所有方面都有专业知识。如果我们愿意，我们可以开发整辆车的任何部分，甚至是整辆车。“我们等着瞧吧，”埃克罗德说。