Electric Power In F1: A Decade Of Hybrid Success

F1 电动汽车：十年混合动力的成功。图片来源：梅赛德斯赛车媒体

2019 年匈牙利大奖赛是一级方程式赛车首次使用混合动力获胜的 10 周年纪念

十年前，在 2009 年的匈牙利大奖赛上，刘易斯-汉密尔顿（Lewis Hamilton）成为第一位使用混合动力引擎赢得比赛的一级方程式车手。动能回收系统（KERS）是一级方程式赛车动力单元电气化的第一步。今天，我们来看看混合动力 F1 动力单元，以及它成为史上最高效内燃机之一的发展历程。

刘易斯-汉密尔顿驾驶迈凯轮-梅赛德斯 MP4-24 进入 2009 年一级方程式赛季。在这个特别的赛季中，他赢得了匈牙利大奖赛和新加坡大奖赛的冠军。图片来源：梅赛德斯车队媒体

是什么让 2009 年匈牙利大奖赛成为 F1 首次混合动力比赛的胜利？

2009 年的一级方程式赛车规定为车队提供了在动力系统中添加混合动力组件的机会--动能回收系统（英文缩写为 KERS）。今天的规定强制要求使用混合动力装置，但在 2009 年，车队可以自行决定是否使用 KERS。赢得 2009 年揭幕战的两支车队--博恩和红牛都选择使用传统发动机。然而，梅赛德斯-奔驰开发了一套混合动力系统，迈凯轮-梅赛德斯车队在 2009 年使用了这套系统。因此，当刘易斯在 7 月 26 日的匈牙利大奖赛上夺冠时，这是混合动力一级方程式赛车的首次胜利。事实上，KERS 在刘易斯的比赛中发挥了重要作用：在 KERS 的帮助下，他决定性地超越了马克-韦伯（Mark Webber），获得了第二名。当领跑的费尔南多-阿隆索（Fernando Alonso）在几圈后退赛时，刘易斯（Lewis）取得了领先，并将他的第 10 次冠军头衔收入囊中。^th 赢得大奖赛冠军，这也是这项运动历史上的首个混合动力冠军。

如今的混合动力系统是如何工作的？

国际汽联将一级方程式赛车动力单元分为六个组件，其中四个组成混合动力系统，正式名称为能量回收系统（ERS）。ERS 中的两个元件是电机，可回收能量并以额外性能的形式提供。动能发电机组（MGU-K）可在汽车制动时回收动能。虽然它比 2009 年的 KERS 更先进、更强大，但基本原理是相似的。MGU-K 回收的能量可用于推动汽车。

第二台电机是发动机发电机组-热量（MGU-H），位于涡轮增压器的压缩机和涡轮之间，在梅赛德斯的设计中，它位于发动机的两个气缸组之间。

涡轮增压器本身由发动机排出的废气提供动力；然而，一旦压缩机启动，废气流中多余的能量就会被 MGU-H 回收。这些电能可用于在制动时保持压缩机运转，这样当驾驶员再次踩下油门时就不会出现涡轮迟滞现象。

这两台电机通过三相电缆与逆变器相连，逆变器将电能转换为直流电压，供电池组使用，也就是我们常说的储能器（ES），在储能器中，回收的能量以化学方式储存在锂离子电池中。在能量传输过程中，机器将旋转能转化为电能，然后以化学能的形式储存起来。

整个混合动力系统，实际上是整个动力单元，都由控制电子装置（CE）控制，它与能量储存器共用一个外壳。在比赛过程中，CE 平均要完成超过 43 万亿次计算，包括电动马达的运行速度和功率分配，同时还要对 ES 进行监控，确保其达到最佳性能。

在过去十年中，混合动力系统是如何发展的？

一级方程式赛车混合动力时代的开端可以追溯到 2007 年，当时在开发测试中使用了能量回收系统。

它的电池组重达 107 千克，效率为 39%，水冷式动力电子设备被装在一个笨重的盒子里，占据了车内大量空间。

两年后，当 KERS 首次用于比赛时，该系统的重量明显减轻。2009 年的能量储存器重 25.3 千克，比两年前的电池组减轻了 75% 以上。同时，效率也提高到了 70%。电力电子设备使用空气而非水冷却，并封装在更小的碳纤维外壳中。

下一个重大举措是 2014 年的动力单元法规，该法规引入了配备高性能混合动力系统的 1.6 升 V6 涡轮增压发动机。除了使用 MGU-K 从制动中回收动能外，还允许车队通过 MGU-H 收集能量。自 2007 年首次采用混合动力系统以来，电池重量减少了 81%，达到了 20 千克的规定限值。电池单元的功率密度提高了 12 倍，能量储存器的效率达到了 96%。

为什么效率在一级方程式赛车中非常重要？

动力装置的效率对赛车的赛道性能有影响，包括动力输出和减重。发动机的功率输出由两个因素决定，即燃油流量和发动机效率。在 F1 比赛中，燃油流量被限制在每小时最多 100 千克，因此车队唯一能影响的因素就是发动机的效率。因此，效率更高的发动机意味着更强的动力输出，从而获得更好的赛道表现。

另一个方面是减轻重量：根据规定，每场比赛车队最多只能使用 110 千克燃油。但是，燃料的重量并不在规定的赛车最低重量之内，因此，如果所需的燃料少于最大允许量，就可以用更轻的赛车开始比赛。这可以直接转化为更快的单圈时间：每减轻五公斤重量，赛车的单圈速度就会加快约十分之二。

团队如何确保最大限度地利用混合动力系统？

ERS和发动机之间的结合是动力装置发挥最大性能的关键部分之一，也是车队每个周末比赛的重点。其关键在于如何以最佳方式提供和回收能量。

在周末比赛前，计算机会模拟出理想的设置和情况。然后在驾驶员环路（DiL）模拟器中进行首次测试，为特定赛道创建一个配置文件。每条赛道都要求 ERS 系统以不同的方式回收和分配能量，因此 DiL 是了解计算机结果如何工作的第一步。

然后，在 DiL 上创建的配置文件会被转移到测功机上，在那里硬件才能真正发挥其作用。这一步骤的目的是了解硬件的性能。测功机上的工作完成后，就可以到赛道上观察和了解实际情况。为每条赛道准备 ERS 完全取决于汽车的制动性能和转弯性能，以计算出一圈需要多少全油门时间，因为这将决定 MGU-K 需要运行多长时间，需要从电池中获取多少能量，以及 MGU-H 需要吸收多长时间的能量和可以向电池中输入多少能量。

从周五的练习赛中汲取的经验将在周六的排位赛中使用，在排位赛中，电池的电量将被完全耗尽。比赛期间，电池将保持相同的充电状态。这是因为，与电动汽车充满电后再耗尽的情况不同，ERS 可回收所能回收的电量，将其短暂储存在圈速内，并在最佳时间使用。

KERS 和 ERS 技术与公路有多大关系？

KERS、ERS、MGU-H 和 MGU-K--在一级方程式赛车中，我们最喜欢这些工程缩写。不出所料，这些字母在 F1 世界之外并没有太大的意义，但隐藏在这些缩写背后的技术却非常重要。在公路车领域，像 KERS 或 MGU-K 这样的系统被称为 再生制动系统.

在制动时，汽车会回收部分动能，并利用这些动能为电池充电，然后再次推动汽车前进。MGU-H 背后的技术通常被称为电动增压压缩机，或 电子助推器.在公路赛车领域和一级方程式赛车领域，可以看到类似发展的另一个领域是高压系统的引入。

为什么？在电气系统中，能量损耗表现为热量，这在汽车中并不受欢迎。可以通过降低电流来减少损耗。为了在保持功率不变的情况下降低电流，就需要提高电压。在 F1 中，我们现在使用的 ERS 电池电压接近 1000 伏。现代电动公路车的系统电压通常高达 400 伏特；不过，未来电压将会提高，并更接近目前一级方程式赛车所使用的电压。

虽然 F1 和汽车行业的发展历程非常相似，但两者之间还是有区别的。在 F1 赛事中，这些技术用于让汽车跑得更快。而在公路汽车领域，这些技术则是用来在能量相同的情况下跑得更远。