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保時捷 LMP1 賽車的混合動力技術運作原理揭密

Carstuff/吳岳 2016.07.29 00:00

上週末,利曼原型車保時捷 919 Hybrid 完成其在 2016 年唯一一場在德國舉行的比賽。在紐博格林賽道上的 6 小時耐力賽、同時也是 FIA 世界耐力錦標賽第 4 回合比賽,身為目前系列賽總積分第一的賽車,它將繼續衛冕之路,同時也肩負著另一項任務:未來跑車的技術。

透過 919 Hybrid 原型車,保時捷為賽車競速開拓出一片全新的技術領域;在 2015 年發表的全電動道路用概念跑車「Mission E」上,設計師便採用了來自 919 Hybrid 的 800 伏特技術。保時捷為了設計這部連續兩屆利曼冠軍車豁盡所能 – 尤其是在驅動概念方面。這部賽車所搭載的 2.0 升 V4 渦輪增壓汽油引擎是保時捷迄今為止所打造出最有效率的燃油馬達,此外還搭載兩個不同的動能回收系統。

煞車時,前軸上的一具發電機可將車子的動能轉換成電能。在分離式排氣系統內,一個渦輪負責驅動渦輪增壓機,另一個則負責將過剩的能量轉換成電能。其中煞車能量佔 60%,剩下的 40% 則來自廢氣。回收的電能暫時被儲存在一顆鋰離子電池上,並為電動馬達按需供應電力。「按需控制」表示當車手想要加速時即按下按鈕提升額外的動力。為遵守最新的賽事規則更動,來自燃油引擎的動力控制在 500 匹馬力 (368 千瓦) 以下,來自電動馬達的動力輸出則遠超過 400 匹馬力 (294 千瓦) 。

這兩種動力來源的運用及交互運作需要一套精密的策略。在每一次煞車時都必須獲取動力 – 也就是回收動能。在紐博格林的 5.148 公里賽道上,每一圈總共會出現 17 次過彎前煞車。動能的回收量將取決於煞車動作的凌厲程度,也就是車手進入彎道時的車速及其緊繃度。煞車及動能回收將持續進行至進入每個彎道的頂點為止。然後車手會再次加速,此刻的目標便是盡可能消耗更多的動力,因此車手會踩下使用燃油動力的油門踏板,同時「增強」來自電池的電能。

當燃油引擎驅動後輪軸時,電動馬達則負責前輪軸。919 可利用四輪驅動系統在不流失循跡性的狀態下急速出彎 – 同時在此過程中二次回收動能,因為在直道上行駛時,排氣管內的額外渦輪將會發揮極致運作。在持續的高引擎轉速下,排氣系統內的壓力將會快速增加,進而驅動直接與發電機連接的第 2 片渦輪。不過,這兩種動力來源都受限於比賽規則:車手每一圈不得使用超過 1.8 公升燃油及超過 1.3 千瓦小時 (4.68 兆焦耳) 的電能。他必須仔細計算才能在跑完一圈時剛好用完此額度 – 不多也不少。超額使用的車手將會受到處罰;使用量不足的車手則會損失性能。他必須停止「加速」,並在最適當的時機將他的腳從油門上移開。

若以一圈 13.629公里的利曼跑道 (比賽規則的比例模型) 換算,電能的容許額度為 2.22 千瓦小時,這相等於 8 兆焦耳 – 也就是比賽規則中規定的最高動力級距。保時捷是第一個、也是 2015 年唯一一個勇於挑戰此極限的製造商。在 2016 年,豐田汽車也加入了 8 兆焦耳級距的戰局。奧迪則使用 6 兆焦耳。WEC 的賽事規則幾乎完全調整了這些差距。

在保時捷 919 Hybrid 的概念選擇上,保時捷已仔細研究過各種方案。毫無疑問的,利用前輪軸的煞車動能是明智之舉,因為這意味著來自部分開發區域的龐大動力結合巨大的進展。第二個系統則考慮過回收後軸的煞車動能或利用排放的廢氣。支持廢氣方案的考量點有兩項:首先是重量,再來是效率。如果採取回收煞車動能的方式,系統必須在非常短的時間內回收動能,也就是必須以重量來換取龐大的動力。然而加速階段遠比煞車階段更長,以便能延長回收時間及減輕系統的重量。再加上使用燃油引擎的 919 早已在後軸上設置一個驅動系統。增加後軸動力將會產生更多無效率的輪胎空轉情況,並會導致輪胎嚴重磨損。

保時捷在 919 的混合動力系統上最大膽的決定莫過於選擇採用 800 伏特。訂立電壓位準是電動系統最基本的決策,它會影響其它所有元件 – 電池的設計、電子元件的設計、電動馬達的設計和充電技術。而保時捷勇敢地向最底限挑戰。

適合如此高電壓的零件很難找到,尤其是一個合適的儲存裝置。飛輪發電機、超級電容器、還是電池?保時捷選擇了一款包含數百顆獨立電池芯的水冷式鋰離子電池,每顆電池芯都密封於各自的柱狀金屬殼體內 – 高 7 公分、直徑 1.8 公分。

無論是道路車或賽車,電力密度和能源密度都必須取得平衡。電池芯的電力密度越高,能源就能夠越快速補充及釋放。能源密度則決定可儲存的能源額度,您可以這樣想像:在賽車過程中,電池芯必須有一個巨大的開口。因為一旦車手煞車時,大量的動能將會湧進;而當他加速時,動能也必須能夠以相同的速度釋放。以日常生活中的例子做比較:如果我們智慧型手機裡的鋰離子電池具備與 919 相同的電力密度,充電不到一秒即可完全充滿。問題是:講個幾句話它又會沒電了。所以為了讓智慧型手機能夠維持數天的電力,必須以能源密度為優先,也就是儲存容量。

對一部日常使用的電動車來說,儲存容量就等於行駛距離。因此在這方面,賽車與道路用電動車有著不相同的需求。但是在 919 賽車上,保時捷做到了以往想像不到的油電混合動力管理。919 就像是未來混合動力系統的電壓位準測試實驗室。研發人員從 LMP1 計劃的發展過程中獲得重要的基本知識,例如能量儲存裝置 (電池) 和電動馬達的冷卻、超高電壓的連結技術以及電池管理和系統的設計等等。開發量產車的同仁們則從這個經驗獲得四門概念車「Mission E」搭載 800 伏特技術的寶貴經驗。隨即,一部以此概念車為基礎的量產產品將在十年內問世,成為保時捷第一部純電動駕駛的跑車。

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