《Formula E電動方程式》賽車解析 ─ 零遲滯的電能動力

2017-11-30 12:15:20

圖片來源：Formula E

在擁抱全新動力科技之下，《Formula E》賽車捨棄了傳統內燃機引擎，採用全電動系統來做為動力來源。但是電動賽車的動力系統由什麼組成？又是怎麼運作的？在本週末的第四季Formula E香港站開跑之前，先來瞧瞧這種能量轉換效率高達90%的動力系統有何獨特之處。

動力元件組成

和傳統內燃機動輒上百個零件不同，Formula E賽車所使用的電能動力技術在元件組成上有著相對單純的結構。目前的Formula E賽車整套動力系統包含了三個主要元件，包含統一規格的大型鋰離子電池模組、最大輸出功率落在200kW(270hp)的電動馬達MGU-K以及負責控制所有電子系統的電壓轉換控制器。

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大型鋰電池佔據了傳統方程式擺放引擎的位置，也就是駕駛座後方。當駕駛踩下油門，電池的電能會透過電壓轉換控制器輸送到電動馬達，再傳遞至後輪；如果收油門或是踩下煞車減速時，動能回收系統就會反向將煞車動能轉換為電力回充給電池模組。

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雖然目前每一支Formula E車隊的動力系統都有著不同的差異，但是整體來說，其運作方式都遵循著相同的概念。在電動馬達獲得來自電池的電力以後，就會將電力轉換成機械動力，輸出扭力給予後輪差速器，接著差速齒輪再將動力輸送給傳動軸驅動後輪。

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Formula E的傳動軸兩邊皆採用三叉軸承接頭，以利後懸吊在上下做動時動力依然能夠傳輸給角度不斷變化的傳動軸。車輪端看似簡單的羊角結構(Upright)包含了許多經過精密設計的零組件，由於必須承受電動馬達強大的輸出功率，每一個傳動零件以及能夠讓車輪旋轉順暢的滾針軸承都是高強度的賽車專用品。

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動力系統溫度控制

圖片來源：Formula E

雖然不像內燃機引擎在產生動力的過程當中必須燃燒汽油將熱能轉換為動能，但是電動系統的電池模組在進行化學作用以及馬達在運轉的時候依然會產生大量熱能，這讓溫度控制成為了Formula E賽車效能良好與否的關鍵之一。和所有的賽車一樣，Formula E賽車的散熱系統仰賴大量冷空氣通過散熱器來將熱能帶走。在高速行駛之下，氣流灌入賽車兩側的側箱進氣口，一邊是擺放著負責冷卻電壓轉換控制器以及電動馬達的動力模組散熱水箱，另一邊則是負責冷卻大型鋰電池的散熱水箱。

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兩套冷卻系統都各自配有一顆專屬的水循環幫浦來將系統內的高溫液體送往散熱水箱，而經過散熱的低溫液體則循環至動力模組與電池模組來幫助這些零組件降溫。若是系統控制元件偵測到溫度過低或者過高，就會降低動力系統的輸出，甚至將動力系統完全關閉來確保動力系統不超過負荷並且沒有安全上的疑慮。

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單速與多速變速箱

目前的《F1》賽車已經使用到了8速的序列式變速箱，但是Formula E賽車在開放車隊自行研發動力系統以後，場上分別有單速傳動、二速、三速或者最高到五速的變速系統。不過，為什麼電動賽車或者市售的電動車可以最低只使用單速的傳動系統？主要原因是電動馬達擁有相當高的轉速域(大約20,000rpm)，而且在所有轉速域的輸出效率都相當一致，最重要的是，電動馬達從極低的轉速開始就可以持續產生強大的扭力。因此車隊在齒輪比上只需要設定出能夠讓賽車達到最高極速225km/h的齒比，由於沒有低轉扭力不足的問題，所以就能夠一檔到底奔向極速。

圖片來源：Formula E

在這個情況下，Formula E賽車使用單速傳動系統能夠擁有結構簡單、重量輕等優勢，但是這並不代表多速傳動系統在電動系統當中是完全無意義的做法。由於在達到最高輸出之前，電動馬達在低轉速帶仍然有一段動力遞增的過程，使用多速傳動系統能夠縮短這個動力爬升的過程，讓賽車在低速髮夾彎等情況下出彎時擁有較優越的加速表現。

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