混合动力技术如何助力保时捷LMP1赛车
上海/斯图加特. 本周末，勒芒原型车保时捷919 Hybrid于今年首次在德国亮相。它将参加FIA世界耐力锦标赛（WEC）的第四站比赛，即纽伯格林六小时耐力赛。作为目前系列赛总积分第一的赛车，它将继续卫冕之路。同时，它还肩负着一项任务：展现未来跑车技术。凭借919 Hybrid，保时捷将赛车车速的技术提升到了新的境界。在2015年面世的全电动公路版概念跑车“Mission E”上，设计师们采用了来自原型赛车的800 V高电压技术。保时捷在设计这款两届勒芒冠军车型时可谓不遗余力，考虑到了各种可能性 – 特别是其驾驶理念。它搭载了一款2.0升V4涡轮增压汽油发动机（迄今为止保时捷制造的最高效内燃机型），以及两种不同的能量回收系统。
在制动过程中，位于前桥的发电机可以将车辆的动能转化为电能。在分开式排气系统中，由一个涡轮负责驱动涡轮增压器，另一个涡轮则负责将剩余的能量转化为电能。在回收的全部能量中，制动能量占60%，剩余的40%则来自于废气。回收到的电能被临时存储在一个锂离子蓄电池中，用于在需要时为电动机供电。“按需控制”意味着：驾驶者想要加速时，按下按钮就能获得额外的能量。根据最新赛事规则调整，内燃机的输出功率刚刚低于500 hp（368 kW），电动机的输出功率则远超400 hp（294 kW）。
这两种能量源的使用和配合需要一种相当完备的策略。在每次制动时都会获得能量 – 也就是说，能量会得到回收。在5.148 km的纽伯格林赛道上，每圈会发生17次入弯前制动。回收能量的总量取决于制动操作的程度，或者，换言之，取决于车手过弯的速度以及弯道的缓急。制动和能量回收会在每个弯道的切弯点处发生，此后车手会再次加速。这一过程的目标是获得尽可能多的能量。因此，车手会全力踩下油门踏板，同时，电池也会输出“辅助”电能。
内燃机驱动后桥，电动机则负责驱动前桥。采用四轮驱动系统的919在出弯时不会损失任何牵引力 – 并且在此过程中再次进行能量回收，因为在直道上行驶时，排气管中的附加涡轮会保持工作。在恒定的高发动机转速下，废气排放系统的压力急剧上升，并且驱动直接连接到发电机的第二个涡轮。然而两个动力源均受到规则的限制：车手在每圏行驶中所使用的燃油不能超过1.8升，并且使用的电能不能超过1.3千瓦时（4.68兆焦）。他必须仔细计算，确保在每圏结束时刚好使用相应的能量 – 不多也不少。如果能量超出，车手将会遭到处罚。如果使用的能量较少，车辆性能则会受到影响。他必须在最恰当的时刻停止“电动助力”并把脚从油门踏板上移开。
在每圏13.629 km的勒芒赛道上，按比例调节后的允许电能为2.22千瓦时，相当于8兆焦 – 这是规则中所规定的最高能量限制。保时捷是首家，也是2015年唯一一家敢于挑战极限的制造商。到了2016年，丰田赛车也达到了8兆焦的级别。奥迪的电能级别为6兆焦。WEC的规定几乎完全平衡了这些差异。
设计师在选择保时捷919 Hybrid的概念时，仔细考虑了几乎所有替代方案。毫无疑问，保时捷会使用前桥回收制动能量，因为这一领域已经得到了部分开发并取得了巨大的进步。对于第二个回收系统，则需要在后桥回收制动能量或利用废气回收能量中选择一项。利用废气回收具有两项优势：首先是重量轻，其次是效率高。如果选择回收制动能量，系统必须在极短时间内完成能量回收，这意味着需要应对巨大的能量，但设备的重量也很高。然而，加速阶段比制动阶段的时间要长得多，也就是说，允许更长的回收时间，从而令设备的重量更轻。919已经在后桥上配备了一个驱动系统，即内燃机。如果对后桥施加更多扭矩，将可能导致更低效的车轮空转。而且，还会造成严重的轮胎磨损。
保时捷勇敢地为919的混合动力系统选择了800 V电压。确定电压等级是开发电力驱动系统的基本决策。它将影响其它所有因素 – 蓄电池设计、电力装置设计、电机设计及充电技术。保时捷将这一等级提升到了最高水平。
这种高压系统对部件的要求很高，特别是需要有适合的存储媒介。飞轮发电机、超级电容或蓄电池？保时捷选择了一种水冷式锂离子蓄电池，配有数百个单独的电池单元，每个单元都封闭在其圆柱形金属盒内 – 此盒高7厘米、直径为1.8厘米。
无论是公路跑车还是赛车，功率密度和能量密度都必须平衡。电池的功率密度越高，充电和放电的速度就越快。能量密度参数则决定了存储能量的多少。例如，赛车中的电池必须有一个巨大的出口。因为一旦车手制动，就会有巨大的能量涌入，而在助力加速时，能量还必须能够以相同的速度输出。通俗来讲：如果智能手机中安装了一块与919功率密度相同的电池，它可以在不到一秒的时间内充满电。缺点是，只要一次短暂的通话，电池电量就会耗光。因此，由于智能手机需要待机数天，必须优先考虑能量密度，即存储能量的多少。
在日常使用的电动车中，储能容量用续航里程衡量。就这一点而言，赛车的要求与公路用车不同。但保时捷通过919的研发，在混合动力管理方面已经达到了前所未有的水平。我们将919作为未来混合动力系统电压水平的测试实验室，在LMP1级别的赛事中对重要的相关基础知识进行了探索。例如能量储存设备（蓄电池）和电动机的冷却、极高电压的连接技术以及蓄电池管理和系统设计。利用由此获得的经验，从事生产开发的同事将这些重要的专门技术应用到了800 V四门概念车Mission E上。基于这款概念车的量产车型将于2020年前投产，成为第一款纯电力驱动的保时捷。
文本
中文 (Porsche China)
已归档
M16_3154
42/16
2016-07-21
-
- 赛车运动
- 2016赛季
- World Endurance Championship LMP1
- 最新消息
- Germany \ Nürburgring
-
- 赛车
- 919 Hybrid
混合动力技术如何助力保时捷LMP1赛车