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电动车:突破速度极限   

2013-06-25 17:00:08|  分类: 每日科学新闻 |  标签: |举报 |字号 订阅

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本文来自“科学美国人”中文版《环球科学》http://www.huanqiukexue.com/html/newgc/2013/0624/23257.html

时速超过400英里的汽油汽车都很少,而现在,一个学生团队打算让电动汽车的速度突破这个极限。

  

 
R·J·克洛默(R. J. Kromer)在美国俄亥俄州立大学读一年级时,有一天去上数学课,走到半路,他被一则学生科技小组的广告吸引了,这组学生在设计燃料电池汽车。此前,他最多就是组装过乐高的机器人套件,但不管怎样,他还是发了封邮件申请加入。想不到,组里的成员马上就给了他回应。“我原来想应该会有各种要求,”克洛默回忆道,“但是他们说,没事,你来吧”。
 
于是,克洛默来到了这个小组位于学校汽车研究中心(Center for Automotive Research,CAR)的工作场地。到了这里,他很快就明白了,这个打造出屡破世界纪录的Buckeye Bullet系列替代燃料汽车、大多数成员都还是一脸稚气的独特团队,首先要考验他的奉献精神。克洛默从和工程相关的杂事做起。开头的几个月,他大部分时间都用来整理各种各样的工具、备件或者清扫场地。不过,在打杂之余,高年级的组员开始教他电路、控制系统和其他东西。很快,他在这里学到的东西就超过了在课堂上学到的。第二个年头,有两个高年级学生毕业了,克洛默开始负责电气工程,“实际上,如果你可以不睡觉的话,就能很快对事情熟悉起来”。
 
Buckeye Bullet团队里满是类似的故事。组长戴维·库克(David Cooke)是大一时偶然加入的。资深工程师伊万·梅利(Evan Maley)加入的时候,还是一个对高速汽车着迷的天真高中生。库克说,小组在评价新的自愿者时,更看重他们的主动性而不是智商。克洛默自觉熬夜,这是小组的标志性行为,他们经常工作到第一缕晨光从车间尽头30英尺高的车库门下“爬”进来为止。有时,他们会睡在会议室的地板上,偶尔还会以试车的车道为床。周末,当其他同学沉溺于啤酒中时,他们却在切割金属、测试电池或者设计自己的悬架系统。
 
这些可不是卡丁车上的悬架。这个团队已经制造了好几辆史上最快的替代燃料汽车。2008年,引起克洛默兴趣的氢燃料电池汽车的最高时速达到了286英里。两年后,他们把这辆氢燃料电池汽车改造成一辆电动赛车,时速突破了300英里。团队成员坚信,在今年9月,犹他州温多弗(Wendover)郊外的邦纳维尔盐碱滩上,他们重新设计的电动车将会成为时速首次突破400英里的电动汽车。
 
迄今,仅有9辆以汽油为动力的轮式汽车达到过如此高的速度。“时速从300英里到400英里的跨度太大了,”库克说。速度接近400英里/小时的时候,气动阻力呈几何级数增长。电机需要更大的电流,这就意味着车上需要更多的电池,给本来需要轻量化的汽车增加了额外重量。而且,轮胎的转速极高,离心力可能将轮胎撕裂。挑战是巨大的,即使是经验丰富的工程师团队也会望而却步,更不用说一群研究生和读大学的大孩子了。
 
电动飞车的过去与现在
1993年,现已担任俄亥俄州立大学汽车研究中心主任的乔治·里佐尼(Giorgio Rizzoni)组建了第一支学生团队,参加一项大学生电动车大赛。这个学生团队制造的汽车名为Smokin’ Buckeye,在大部分比赛中,这辆汽车都赢得桂冠。但没过几年,这项赛事因故取消,而里佐尼也觉得,这个项目可能走到头了。没想到两个学生告诉他,已经和一家本地公司达成了赞助协议,他们想要制造史上最快的电动汽车。“我看着学生,然后说,‘你们还真是疯狂’,”里佐尼回忆说。
 
 
接下来的十年间,这个学生团队制造了三辆打破世界纪录的汽车。现在,里佐尼几乎从不对团队成员的远大目标、工程能力和谈判技巧提出质疑。当库克和团队成员决定要突破400英里/小时的界限时,他们知道,要实现这个目标,可能得换个思路去寻求赞助。于是,他们求助于摩纳哥电动汽车制造商文图瑞汽车公司(Venturi Automobiles)的老板、时年45岁的吉尔多·帕兰卡·帕斯特(Gildo Pallanca Pastor)。曾是业余赛车手的帕斯特是摩纳哥的不动产巨头,还涉足餐饮行业,他已经关注这个学生团队好几年了。2010年,他签署了赞助合约,支持这个学生团队向400英里/小时发起冲击。
 
两年后,也就是去年8月一个潮湿的星期三,在CAR总部——一幢形状诡异的二层建筑,正面是砖砌结构,后面则是几个洞穴般的飞机库,26岁却留着胡子的库克说,“飞车”的总体设计基本完成。这辆名为Venturi Buckeye Bullet 3(VBB3)的电动车总长接近12米,四轮驱动。由于把车子加速到400英里/小时需要的功率实在太大,团队计划用四个电机来分担这一任务。每个电机产生400马力的动力,总功率1 600马力(1马力约0.735千瓦)。
 
库克和几个队员一直和文图瑞公司的工程师们合作,设计他们想要的电机。团队里的工程师们提出了理想的尺寸、性能指标和其他详细要求,他们已经就设计方案和文图瑞公司的工程师反复推敲了一年。帕斯特已经开始在美国版的文图瑞电动跑车上,对缩小版的“飞车电机”进行道路实验,这些电动跑车的最高时速为124英里。飞车用的4个电机要稍长一些,动力更加强劲,还得过一段时间才能完工。
 
不过,眼下的主要难题还不是电机。在CAR,VBB3团队的大学生和研究生们坐在一间狭小的办公室里,他们中有库克、梅利和一个机灵的、23岁的工程师王凌(Ling Wang,音译)。梅利和库克进屋时,王凌正在电脑上转动飞车垂直尾翼的三维模型。王凌是空气动力学专家,而空气动力学上的问题,是汽车从时速300英里提升到400英里的最大障碍。克服空气阻力需要的功率和速度的立方成正比。所以速度要翻番的话,就得需要8倍的功率才行。
 
刚刚离开团队去波音公司工作的卡里·伯克(Cary Bork),曾花了两年时间,对VBB3的气动外形进行调校,改变形状,在车轮上覆盖扰流板之类的降低阻力的零件。飞车采用钢制骨架和碳纤维外壳,而在外壳内部,则安置有质量很轻、强度却很高的阻燃纤维Nomex(一种芳族聚酰胺纤维的商品名)。此外,还有一些大难题需要解决,这就是王凌的工作重点——尾翼。
 
任何突出车外的东西都会增加空气阻力,但为了保障试车驾驶员——62岁的赛车手罗杰·施洛尔(Roger Schroer)的安全,团队不得不增加尾翼。作用在汽车上的所有空气动力,都可以看做集中在车身的一点上,这个点称为风压中心。当该点偏向后部,而汽车的质心靠近前部时,二者相互平衡,使得汽车具备保持直线行驶的能力,即使受到侧风干扰时也不例外。尽管VBB3安装了多个降落伞,还有一套飞机制动器备用,但当赛车旋滚时,所有这些措施都无济于事。库克说,“到了最后那天,最要紧的事情是施洛尔的安全”。
 
 
问题是,怎么在空气动力和安全性之间达成平衡。王凌迅速点击着鼠标,将尾翼拆开,让其在虚拟的三维空间里翻转。他把尾翼逐渐变尖的扁平外形,改为类似于海豚尾巴的结构——在垂直尾翼的顶端安装了一个水平放置的翼片。梅利解释说,团队试图找到在车上增加一个GPS模块和两个摄像头(一个朝前,一个朝后)的办法,以便在汽车高速冲刺时可以获得数据。而增加水平翼片的目的,就是把这三种设备装进去。然后,他将修改方案发给在波音公司工作的伯克。
 
不过,王凌很快就告诉大家,新的设计方案被“伯克”掉了。团队成员使用的这个简称,特指伯克常以增加太多空气阻力为由,拒绝修改方案。“伯克的意思是,‘你们这样会让车子的速度变慢,所以别这么干’,”库克解释说。
 
王凌略带烦恼地说,“我知道这样会让速度减慢,但是会慢多少呢?”
 
王凌继续进行建模工作时,库克开始解决另一个问题:电池。这天早些时候,他曾向我们展示过CAR的几个电池测试舱。在测试舱内,按照设定的程序不断对电池单体进行充电和放电,同时调整环境参数。这样,CAR的工程师就可以对电池的真实性能有更好的了解——有时,在某些技术指标上,电池的真实情况和广告宣传的还真不一样。过去一年来,库克和队友一直在对业内新秀A123系统公司制造的纳米磷酸铁锂电池进行严格测试。正式试车的时候,飞车必须至少跑两次才能得到官方认可的世界纪录。在每一个60秒时段结束时,库克指出,电池要完全把电放完才行。“我们打算每跑一次都将电池的所有能量用尽,”库克说,“如果能量有剩余的话,就意味着我们在电池上携带了多余的重量。”
 
A123公司电池的设计,部分是由Bullet团队两个前成员完成的,这些电池不仅比市场上其他电池携带的电量多,而且电池箱更紧凑。库克解释说,他们在上一辆赛车上所使用的标准圆柱形单体电池,就占用了太多的空间。把单体组合到一起时,电池间留有很多空隙。空间的增加,导致了总体积的增大,车子也相应变大了,这意味着迎风面积增加,结果就是速度下降。
 
库克从他桌边的架子上,取下一个让人联想到汽车电池的黑色盒子,以及一个貌似冰袋、薄而扁平的银色方形包。这种类似子弹袋设计的电池体积更小,而产生的电流强度更大。每一个黑色的模块装有25个子弹袋电池单体,这些单体一个紧挨一个,中间没有任何空隙。由于一共有80个这样的模块,所以和圆柱形单体相比,节省的空间很是可观。“节约了三分之一的重量和体积,”库克说,“这个比原来最好的电池还棒。”
 
体积不仅仅是对电池的要求。对飞车的设计,主要就是在尽可能窄的空间里,塞进尽可能多的东西。从库克的区域穿过去,就可以看到梅利显示器上的虚拟悬架。通常,为了减轻重量,打破记录的极速汽车都不装悬架。然而,由于驾驶员只有一英里的距离用来加速,梅利和队友决定,要利用这一英里长度上每一英寸的牵引力。盐碱滩上的颠簸会造成车轮空转,尽管只是很短的时间,仍然会导致宝贵的功率损失掉。梅利说,悬架中的减振器原先是布置在电机和传动系下面的,他现在正在修改这一设计。考虑了整个车子的总布置以后,他意识到减振器可能会导致车子的质心位置变高。“想想变速箱和电机的重量,那可是几百千克呢,”他说,“出于稳定性的考虑,这一块的重量应该尽可能低。”
 
接着,库克来到外面的车间,一个很长的、开敞的仓库,里面还有其他的CAR学生项目。在飞车工作场地上,库克抓起一只轮胎,其橡胶不到2毫米厚。他解释说,车速超过每小时300英里时,轮胎转得飞快,离心力会使其向外膨胀。橡胶越多,质量越大,使它们相互分离的力也就越大。薄一些的轮胎意味着较低的质量,减少了高速下被撕裂的可能性。问题是,车子会在毛糙的盐碱滩上行驶。“轮胎能抗得住吗?这是让我睡不着的几个问题之一”。
 
试车倒计时
2012年11月初,团队着手造车刚刚两个月。梅利重新设计了悬架,以降低电机和整车的质心位置,但尾翼的形状仍然没有定论。为安全起见,团队正在考虑采用三个甚至四个减速降落伞。这些额外装备使得车子后部过长,增加了空气阻力。“降落伞的数量还没有确定,”王凌补充说。
 
去年10月,电池供应商A123破产了,但还算幸运,在A123工作的前团队成员交付了项目需要的电池。“我们所需要的全部东西他们都办齐了,外加一些备件,”库克说。
 
电机也已完工,只是外形稍有改动。进一步的模拟测试之后,文图瑞公司的工程师认为,电机可能无法提供足够大的功率。不过库克并不气馁。“我们早就学会了不能轻易放弃,”他说。“我们得找找原因。为什么我们不能得到更大的功率?难道是电机的绕组无法通过更强的电流?”深入探究后发现,问题与温度有关。仿真分析表明,电机会过热。于是,库克、梅利和高年级本科生卢克·科尔姆(Luke Kelm),与文图瑞公司的工程师一起重新设计电机的冷却系统。他们改变了油基冷却液的流道,以便让其与电机的更多部位接触,带出更多的热量,使温度降低。
 
这是飞车项目的传统:一系列叹为观止的技术创新,以及团队的那种为探寻现有技术极限而奋力突破的决心。“这是一次奇妙的实践,”文图瑞老板帕斯特说,“当你不得不把部件的能力发挥到极致,你就能发现新的东西,让你用不同方式来思考问题。”
 
最终,这些挑战变成了无与伦比的教育实践,造就了一批经历独特的毕业生。过去几年间,飞车团队已经打造了50名工程师,其中大部分都在汽车制造业、航空航天和电池技术行业继续从事重要技术工作。“他们是出色的工程师,因为他们处理过这些复杂的问题,”帕斯特如是评价。
 
克洛默,先前的大一新生,一时兴起加入了团队,他说学到了远比课堂上多得多的知识。当时对汽车一无所知的小伙子,其后花了两年时间设计了这部电动飞车的电子中枢,这是一套能够监控每一个部件运行情况,并使之与驾驶员操作完美匹配的系统。但是,克洛默和其他人这么做可不仅仅是为了获得学分。说到底,他们依然是大学生,9月份,突破每小时400英里大关的前景让他们激情澎湃。“我们能打破世界记录,”他说,“芸芸学子,有几人能出此言?”
 
(撰文?格雷戈里 · 莫恩(Gregory Mone)?翻译?田光宇)
 
本文来自《环球科学》2013年第5期,转载请注明出处。
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