电动飞车速度644公里/小时 _汽车

电动飞车速度644公里/小时
精彩速览
俄亥俄州立大学的Buckeye Bullet团队正在建造一辆电动汽车，有望突破400英里/小时的记录，该速度仅有九辆汽油汽车曾经达到过。
要完成这一项目，这个面临的主要困难有：得用4个电机产生足够强劲的动力；解决空气动力学问题，让车辆既快又稳；确保不会爆胎。
该车的前几代车型业已创造了电动汽车最高车速的记录，但要突破400英里/小时，团队必须为众多的工程难题找到解决之道。
如果一切按计划进行，团队将于今年九月在犹他州的邦纳维尔盐碱滩上，对400英里/小时的记录发起冲击。
据环球科学：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，会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半大孩子了。
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。这两名为Venturi Buckeye Bullet 3(VBB3)的电动车总长38英尺，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0.74千瓦) 。
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，王凌正在电脑上旋转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。所以速度要翻倍的话，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的气动外形进行微调，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，这个点就叫做风压中心。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方案，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。而增加水平翼片的另一个目的，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，而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。盐碱滩上的颠簸会导致车轮空转，尽管只是很短的时间，仍然会导致宝贵的功率被损失掉。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，但是否用尾翼仍然没有定论。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。
今年年初，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？难道是铜绕组(电路的线匝组合)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。”
【电动飞车速度644公里/小时】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？”
本文作者：格雷戈里•莫恩(Gregory Mone)
格雷戈里•莫恩主要撰写科学与技术方面的报道，作品发表在Atlantic、Discover、Popular Science等美国多家媒体上，还出版过4本著作。
本文译者：田光宇
田光宇教授是清华大学汽车工程系副主任、车辆与交通研究所副所长以及中国汽车工程学会电动汽车分会的秘书长。他主要研究电动汽车整车集成与控制、电池系统应用技术。(eeook.com)