勒芒耐力赛血肉比拼:日德混动技术谁胜一筹(上)

第一电动网 马翼

编者: 北京时间6月15日晚,2014年法国勒芒24小时耐力赛落幕,经过24个小时的日夜征战,奥迪车队包揽冠亚军。本次耐力赛由于赛制改革,各家车企借此展示混动技术。比赛成为日德混动技术的直接对抗。我们请曾在德国知名车企学习工作的马翼为我们撰文解读各方混动技术的表现,分为上下篇。本文为上篇。

【第一电动网】(专栏作家 马翼)有着耐力赛世界杯之称的勒芒赛已经过去将近一个月,但他引发的热潮以及讨论还在持续着,甚至有着升温的趋势。2014年的勒芒赛对于新能源的工程师们来说绝对是具有里程碑意义的一年,讨论已久的具有革命性的改革从今年开始实施:由于对LMP1级别赛车每圈的油耗进行了严格的限制,规则上的这次重大变革将混合动力技术进一步的推向了人们关注的焦点。参赛的车队无一不对自己的混合动力技术有着充足的信心,所以我们不出意外的看到了丰田,奥迪和保时捷的身影。赛前最大的看点有几个,长年陪太子读书的丰田能否借混合动力的东风结束奥迪的垄断,近年来的绝对霸主奥迪能否豪取16年内的第13 个冠军以及作为勒芒赛历史上夺冠次数最多的保时捷能否在阔别16年之久后王者归来,都在这激动人心的24小时后揭晓答案。

另外值得一提的是,今年的赛事是两大汽车王国日本和德国的直接较量,一方是长年独霸全球混合动力车市场最大份额的日本,另一方是以汽车王国自居的德国,虽然结果我们已经知道,奥迪再一次站在了最高的领奖台上,但是比赛的内容却异常丰富,我们不妨再从头回顾一下这传奇一般的比赛过程,或许能从中找到未来新能源汽车发展的一些线索。

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让我们先温习一下勒芒赛道和勒芒24小时耐力赛。勒芒赛道是全球车迷的心中的圣地之一。赛道全长17.3公里,其中13.5公里属于高速路段。比赛在24小时里不间断的进行,每辆赛车配备三名车手,轮换驾驶。参赛者分为四个组别Le Mans Prototype 1 (LMP1),Le Mans Prototype 2 (LMP2),Le Mans GTE Pro 和Le Mans GTE Am,四个组别的赛车在同一赛道上行驶(下文所涉及内容都是针对最高级别LMP1)。在LMP1这个组别的参赛者全部是整车厂商直接派出的厂队,各大汽车生产厂商所扮演的角色不再是F1比赛里的供应商或者合作伙伴。作为直接参赛者,各大厂商会在赛车上使用最先进的技术,对于他们来说,这是展示最新科技成果绝佳的舞台。

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赛制改革

F1或许是目前世界上最著名的赛车运动,但对于一个工程师来说,F1不一定是最吸引人的。至少在丰田工程师的眼里,勒芒的LMP1赛车更加的有趣。相比于F1所有赛车都采用类似的驱动设计,LMP1 的赛车对驱动方式有着多种多样的选择。根据最新的规则,从2014年开始,在驱动方式上唯一的约束只有对每圈消耗的总能量以及可回收能量上的限制。除此之外,厂商在设计方案上拥有绝对的自由。通过对能耗的严格限制,混合动力技术的地位将得到进一步的提升。根据每圈允许从混合动力系统中提取的电能,分成四个级别2MJ,4MJ,6MJ和8MJ,每圈的能耗依据不同的混合动力级别以及燃油种类而定,根据燃料特有的能量密度(汽油约31MJ/l,柴油约35.6MJ/l)可以换算出每圈规定的油耗上限,选用2MJ的赛车每圈燃油上限为4.8升汽油或者3.93升柴油,选用8MJ的赛车每圈油耗上限为4.42升汽油或者3.56升柴油。

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这样的变革逼着各家车企展示节能技术,而特别引人注目的是三支车队。

保时捷 Porsche 919 Hybrid

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在阔别勒芒的顶级联赛LMP1达16年之久后,保时捷带着自己的新作919Hybrid强势回归。不同于参加过近几年比赛的奥迪和丰田,保时捷没有现成的技术可用,必须从零开始打造一辆全新的LMP1赛车。为此保时捷特意在自己的研发基地建造了一个汽车运动中心和一个由200人组成的团队,从研发能力上来说,甚至可以打造出一部F1赛车。保时捷自豪地宣称,这辆919Hybrid是史上技术最为复杂的一辆赛车。但是由于时间的限制,连保时捷的设计人员都不得不承认,他们缺少了一到两个设计周期,来进一步的加强赛车的可靠性和稳定性,这也为后面的技术故障买下了伏笔。

驱动方式保时捷采用的是四轮驱动的设计,前轮由184kW的电机驱动,后轮由370kW(500PS)的四缸汽油发动机驱动,2升排量,配有缸内直喷和涡轮增压技术。混合动力级别选择8MJ,使用两个混合动力系统,一个系统称为GU-H (Generator-Unit-Heat),通过尾气驱动发电机回收能量,另一个系统称为MGU-K(Motor-Generator-Unit-Kinetic),布置在前轴,利用发电机在刹车的时候回收赛车本身的动能。保时捷为了使赛车的重心在刹车时更好的前移,以利于在前轴回收更多的动能,放弃了在后轴也安置一个MGU-K的想法。GU-H的优势在于赛车在直道的加速过程中也能回收能量,并且MGU-K和GU-H的组合要比两个MGU-K的组合要轻。但是从尾气中回收能量,改变了发动机换气过程,增加了换气的阻力,因此一定程度上损害了发动机的工作效率,所以它不同于从刹车中回收能量,是一把双刃剑,如果不了解赛车和赛道的特点,使用不当,甚至得不偿失。

所回收的能量存储在水冷的锂电池内,这也是当今混合动力量产车上采用的主流储存元件。

奥迪 Audi R18 e-tron quattro

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作为近年来的绝对霸主,奥迪展示出了自己对这项运动的理解,不同于另外两个对手,奥迪看重柴油在能量密度以及油耗上的优势,依然选用了V6的柴油发动机,功率超过510PS,排量从上一代的3.7升提高到4升,采用缸内直喷和涡轮增压技术,其中涡轮叶片几何尺寸可变VTG。混合动力系统原本奥迪是采用和保时捷同样的结构,即安装在前轴的MGU-K加上发动机侧的GU-H,但是在经过反复的测试之后,奥迪的工程师认为GU-H达不到他们所期待的的效果,从可靠性的角度考虑,他们最终放弃了这种设计,只应用了位于前轴的MGU-K一个混合动力系统,最高输出170KW的功率,混合动力级别也相应的选择了2MJ的最低级别。在能量的储存方式上奥迪独树一帜,相对于两个竞争对手采用电的存储形式,奥迪将回收能量以机械能的形式存储在飞轮中("Flywheel"),飞轮可存储能量超过600KJ,在加速过程中当时速超过120,飞轮中的能量将释放出来。飞轮的原理类似于陀螺,在很小的阻尼下,储存能量的飞轮可以长时间的旋转。奥迪采用这种设计的原因在于其出色的可靠性。根据赛道特点,每圈将有接近九次的充放电过程,比赛全程将进行大约4000次的充放电。因此他们相当的怀疑,丰田的超级电容能否在24小时里经得起这么多次的充放电过程。

奥迪的工程师认为,这样的设计能在能量效率,尺寸,重量,功效,响应特性,以及行驶策略,提供最优的关系。可靠是这个方案最大的特点,减少对电力系统的依赖,减少电力系统的负荷,或多或少的降低了出现故障的风险,并且以机械能的形式存储,很好的回避了电池的反复充放电的安全以及寿命问题,并且对冷却系统的需求也小很多,理论上在各种复杂的环境条件下也拥有最好的可靠性。无独有偶,奥迪也宣称,这是他们所研制出的最复杂的一台赛车。

丰田 Toyota TS040 Hybrid

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作为多年来全世界最受欢迎的量产混合动力汽车普锐斯的主人,丰田在混合动力领域有着自己独到的理解。相对于欧洲的混合动力汽车生产商普遍采用并联或者串联的布局和有级变速的组合,丰田一直偏爱混联式的布局,即以行星齿轮为主体,结合无级变速。因此,对于强调混合动力技术的新赛车,人们自然也期待着丰田能带来什么样的惊喜。丰田的TS040此次同样是采用四轮驱动方式,沿用了上一代的V8汽油发动机,与丰田在量产车上采用的战略一致,发动机依然采用自然吸气的工作方式,排量从上一代的3.4升增加到3.7升,最高输出520PS。不同于保时捷的GU-H加MGU-K,丰田的两套混合动力系统同为MGU-K,分布在前后轴,都是在刹车过程中通过发电机吸收动能。与GU-H相比MGU-K回收的是净能量,不会影响发动机的效率,整个系统理论上也更加的高效。整个动力系统的动力总输出高达惊人的1000PS,最高时速可达330km/h。混合动力级别选择6MJ,能量存储的媒介丰田采用了超级电容,与保时捷采用的锂电池相比,虽然重量上处于劣势,但是在功率却超过锂电池很多,充放电更快。因为超级电容本身是通过物理的方法储能电能,不需要像锂电池一样通过化学反应将电能转换成化学能来储存,工作温度范围更广,寿命也更长。超级电容丰田的技术人员坚持使用这项技术,是因为他们认为,超级电容也适用于量产车型,而奥迪所使用的飞轮储能技术,他们对其在量产车型中的应用前景持怀疑的态度。丰田今年来势汹汹,志在必得,就连竞争对手奥迪和保时捷也不得不承认,今年丰田的赛车毫无疑问是最快的,如果能正常完成比赛,他们几乎没有任何机会。

比赛的过程如何?什么因素决定了成败?请看下篇。

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