Mnoho lidí v roce 2014 nevěřilo, že závodní série Formule E bude trvat 1 sezónu, natož pět sezón a generovat tolik hluku.
Strategií zakladatele bylo pečlivě kontrolovat vývoj, aby měl pod kontrolou náklady. To je důvod, proč je technický závod omezen na pohonné ústrojí a zadní nápravu. To znamená, že baterie byla a stále je specifikovaná jednotka a podobná pro každý tým. Dokud to tak zůstalo, má šampionát pro každého účastníka svá nákladová omezení, protože otevřená válka ve vývoji baterií by ve vztahu k rostoucí sérii namohla rozpočet dokonce i automobilových OEM nad limit jejich členů představenstva a akcionářů. a jeho rostoucí popularita. Nyní první baterie, která byla vyvinuta společností Williams Advanced Engineering, nedokázala produkovat hustotu energie pro celý závod, takže výměna vozů uprostřed závodu byla nutností.
Minulá sezóna znamenala masivní průlom, protože zcela nový vůz generace 2 získal dvojnásobnou energii baterie, která je schopna vydržet celých 45 minut závodu. Spolupráce mezi McLaren Applied Technologies, Atieva a Murata to umožnila. Tyto 3 společnosti vytvořily pokročilou novou baterii, která nejen transformovala Formuli E, ale posunula danou technologii na další úroveň. Dokonce i v rané fázi, kdy se Formule E na závodní dráze sotva osvědčila, pořadatel přemýšlel dopředu s plánem jejího budoucího vývoje.
To významně podpořilo vývoj vozu Gen2, protože již od počátku bylo jasné, že součástí specifikace bude nová baterie. Výběrové řízení však bylo naplánováno tak, aby umožnilo vítězným uchazečům pouze dva roky na vývoj baterie nové generace.
Zatímco Williams Advanced Engineering obdržel smlouvu na baterii Gen1, o tuto práci soutěžily společnosti zabývající se baterií Gen2 3.
McLaren Applied Technologies (MAT) jako jeden z nich byl již zapojen do generace 1 automobilového dodavatelského řetězce FIA Formule E. Vyvinula motor, invertor a ECU pro vůz sezóny l a
ECU TAG400i zůstala mezi některými týmy široce používanou jednotkou. Přestože se společnost MAT snažila ucházet o výběrové řízení na baterie Gen2, nedokázala to zvládnout sama. Místo toho oslovila pod hlavičkou Lucid poměrně neznámou americkou automobilku Atieva se svým prototypem Lucid Air ve vývoji. Ist CEO je britský inženýr se zkušenostmi ve společnostech Lotus, Jaguar a Tesla, kde byl hlavním inženýrem modelu S.
Vývojáři MAT zjistili, že ani společnost zabývající se bateriemi pro silniční automobily, ani odborník na motoristický sport nemohou dosáhnout tohoto cíle sami. Odbornost Atievy je v jiné oblasti. Doménové znalosti MAT zahrnují technické znalosti v pochopení profilu mise, okrajových podmínek, ověřování a podpory na trati.
Toto partnerství rozdělilo práci mezi design a výrobu, kterou vede Atieva v USA, a vývoj zařízení pro podporu tratí a týmových postupů ve Spojeném království. Každý partner má ve výrobě bateriová řešení, takže design baterie Gen2 byl oboustrannou záležitostí. Baterie byla navržena z prázdného listu, ale oba partneři mají různé přístupy k rozhodnutí. Můžete začít od buňky a vytvořit všechny procesy, které vás přivedou k baterii, nebo můžete začít s pokročilejšími moduly, které již byly testovány a ověřeny a které vás zavedou k výrobě nové baterie.
Z časových důvodů museli zvolit druhou možnost, založenou na chemii, která byla špičkou dostupné technologie. Když jsme se podívali na technické specifikace bateriového bloku, bylo jasné, že nebylo dost času vyvinout nový článek včetně jeho buněčné chemie a nechat se na jeho industrializaci. To trvá mnoho let a časový rámec byl mnohem kratší.
Identifikovali tedy buňku a buněčnou chemii, která již byla ve výrobě a která odpovídala profilu DNA této série.”
Tento úkol lze zvládnout díky odborným znalostem společnosti Atieva v technologii baterií a její obrovské databázi se stovkami článků a chemických látek. Přiřazení požadavků zadání FIA k databázi přineslo odpověď. Byl to článek od Sony, který se jmenuje Murata (18650 VTC6 Cells (3120 mAh). Energií, rychlostí vybíjení a nabíjením (což je důležité pro regenerační brzdění) článek nejlépe odpovídal požadavkům, které byly dány z technického týmu FIA.”
Když byl identifikován dodavatel článků, trojice pokračovala v nabídce na dodávku baterie FIA Formula E Gen2 a zakázku vyhrála. Nejmodernější technologie umožnila dosáhnout výsledku, ale realita a provedení jsou vždy jiné, protože teorie a neznámé byly dost velké, takže míra rizika byla vzrušující a občas docela děsivá! Rozdělení odborných znalostí mezi tyto tři společnosti bylo zásadní při dodání baterie, která by měla ve své první sezóně dosáhnout 100% spolehlivosti.
DESIGN BALENÍ V motoristickém sportu je vždy něco jiného, kvůli pracovnímu cyklu, souvisejícím teplotám a vibracím. To byla výzva, která na triumvirát čekala, když se Atieva pustila do návrhu baterie. Zdvojnásobení úložiště energie nebylo jen výsledkem pokrokové technologie článků v bateriovém průmyslu během prvních čtyř let elektrické série. Vývoj buněk je velmi pomalý a nelze jej zdaleka srovnávat s kroky, kterých stále dosahuje průmysl počítačových čipů. Buňky Murata byly ve výrobě několik let, než byly vybrány k použití v balíčcích Gen2 na příští 4 roky. Pokud to tedy nejsou články, jaké pokroky byly učiněny v bateriovém bloku, aby se efektivně zdvojnásobila jeho životnost? Postavit opravdu dobrou baterii je samozřejmě kombinace samostatných disciplín, které jsou vyžadovány v rámci speciálních specifikací.
Murata vyrábí a dodává tyto buňky světové třídy s DNA, kterou Atieva identifikovala a odpovídala závodním požadavkům FIA. Atieva navrhla celou sadu se svým zavedeným know-how z jejich programů silničních vozů. Poté byl testován a vyroben v Silicon Valley v Kalifornii.
To vedlo k 54 kWh, 880 V baterii, která je srdcem všech 24 vozů pro sezónu6. Jako polohomologovaná série je baterie uzavřená jednotka, kterou týmy nemohou otevřít ani upravit. Pro ně je to do značné míry jen velká černá krabice z uhlíkových vláken s konektory pro stejnosměrné napájení, chlazení a výstup CAN.
Uvnitř je to mnohem komplikovanější než jen velké množství jednotlivých buněk propojených mezi sebou. Právě tato integrace článků do funkčního řešení pozvedá baterii Gen2 z její pokročilé chemie a formátu článků.
Pokud byste si mysleli, že jde hlavně o elektrotechnickou disciplínu; ve skutečnosti je 80 % z toho strojírenství! Vibrace, teplo a degradace jsou možná největší překážky, které je třeba překonat při navrhování baterie pro použití v motorsportu. Způsob, jakým tyto buňky poskládáte, abyste se ujistili, že se vibracemi nerozpadnou, modální analýza; to je stavební inženýrství, které drží tyto buňky pohromadě, aby fungovaly jako soudržné konstrukční entity s obrubníkovými nárazy, které splňují požadavky na odolnost a odolnost proti zatížení. Nejlepším příkladem je nárazový test: auto utrpí při nárazu až 50 g a obal je poté znovu použitelný!
Kromě těžšího fyzického aspektu představují velkou výzvu také tepelné problémy. Udržování tohoto obalu v chladu je naprosto zásadní pro životnost buněk. V balení je více než 5.000 1 buněk, což je více než dvojnásobek energie než balení Gen XNUMX. Udržet je pod kontrolou teploty je patentovaná technologie Atieva. Jsou schopni to udělat pomocí velmi intenzivní počítačové tepelné simulace s dielektrickou kapalinou, aby udržely všechny buňky v daném teplotním okně i navzájem. Nejde jen o to, aby se udržela teplota balení na úrovni, ale o rozložení teploty všech buněk jako skupiny. Chlazení je skutečně zásadní pro články uvnitř baterie, stejně jako pro vnitřní části spalovacího motoru. Podobný vliv na výkon podvozku mají ostatní konvenční závodní vozy, protože čím více chlazení potřebujete, tím větší chladič, tím vyšší ztráty při čerpání a větší aerodynamický dopad na auto.
Auto Gen2 ochlazuje baterii pomocí elektrického čerpadla Bosch a chladiče namontovaného v pravém sidepodu. Uvnitř tohoto chladicího okruhu cirkuluje dielektrická kapalina „Novec“. To je nařízeno FIA z bezpečnostních důvodů, protože chladicí kapalina na vodní bázi by v případě havárie riskovala vedení elektřiny.
Dielektrické chladicí médium přináší problémy s výkonem chladicího systému, protože jeho kapacita odvádět teplo je asi poloviční než voda a je asi o 50 % těžší.
FIA Formule E cestuje po světě a mnoho závodů se koná v mnohem teplejších podnebích než v Evropě. Díky Atievově práci na chlazení byla baterie dobře připravena na nejhorší scénář minulé sezóny v Jižní Americe. V Chile byly neuvěřitelné místní teploty přes 40 stupňů C.
Atieva to vše vymodeloval a navrhl balíček pro celou závodní sezónu, přičemž cílem bylo, aby byl balíček v posledním závodě stejně dobrý jako v prvním.
SYSTÉM BUS BAR Vydrží celou sezónu bez výrazné degradace přesahuje chlazení a také hlouběji do softwaru. Zdá se, že toto je jádro kompetencí společnosti.
Skutečnou tajnou omáčkou baterie je „Battery Management System“ BMS) a software za tím.
Všechno toto kódování jsou ve skutečnosti žíly a tepny systému. Atieva to všechno dělá interně s vlastním softwarovým týmem. To je skvělé na tom být v Silicon Valley: Mají bohaté množství softwarových inženýrů. S BMS a uspořádáním skupin článků může baterie přizpůsobit, jak vydává energii, aby vyhovovala jak taktickým požadavkům aktuálního případu použití, ale také s ohledem na celoroční výkon s minimální degradací.
Na základě napětí článku seskupují články do skupin sériově a paralelně. Jak vyrovnáte každou skupinu, pokud jde o napětí a vyrovnáte úroveň nabití, které každý z článků obdrží, musí zajistit, že existuje jakýsi stupňovitý žebřík napětí. V rámci balíčku postupujete od skupiny ke skupině v sérii, jak postupujete přes napětí. Jedním z klíčových atributů BMS je zajistit, aby každý z těchto článků v každé paralelní skupině měl stejné napětí a stejné delta napětí. To je důležité, takže všechny pracují v harmonii a jednotlivě přispívají stejným množstvím energie a energetické kapacity. Pokud je bilance nesynchronizovaná. Baterie nemá plnou kapacitu a nevydrží celou sezónu, zejména kvůli extrémním požadavkům na dobíjení 250 kW.
Tento přístup se stává obzvláště důležitým s přibývajícím ročním obdobím.
Schopnost seskupovat buňky dohromady a v důsledku toho vyrovnávat mrtvé napětí a proud, vyrovnává degradaci v průběhu sezóny.
INOVACE BALENÍ Kromě vnitřních částí baterie se celý balíček musí vejít do zadní části závodního vozu. Toto je stále relativně nová oblast pro motorsport, balení velkých a těžkých bateriových sad, které ideálně sedí uprostřed vozu za řidičem a stále musí být vyjímatelné. Nyní je baterie „černé skříňky“ umístěna uvnitř monokoku Spark Racing v pozici ne nepodobné pozici palivové nádrže a motoru v závodním autě ICE. Když je vůz zvednut na hydraulických zvedácích, lze akumulátorovou jednotku vysadit zespodu. Zadní část monokoku, který postavila Dallara, je štíhlá a zužuje se směrem ke karbonové zadní skříni, ve které je uložen elektromotor, invertor a převodový diferenciál. Vložení baterie do tohoto prostoru nebylo snadným úkolem a demonstrovalo úzkou smyčku myšlenek mezi Atieva, McLaren Applied Technologies, Spark Racing, Dallara a FIA.
Nakonec se spoléhal na řešení navržené společností Atieva, protože to není jen obdélníková krabice. Způsob, jakým integrují balíček do vozu, je z velké části součástí konstrukčního balíčku, obalu pro cestující: musí harmonicky zapadat a přispívat k vzdušnosti vozu. Designér koncipoval tento lichoběžníkový tvar tak, aby odpovídal aero a struktuře monokoku a vytvořil tvar „láhve koksu“, jako by to byl raný design Newey (March/Leyton House).
Tento tvar však nebyl okamžitě vhodný pro instalaci velkých buněk. Řešením bylo vytvořit modulární design pro balení uvnitř a nápaditým způsobem využít prostor k vytvoření lichoběžníkového tvaru.
Správa skutečného uspořádání buněk uvnitř balení a to, jak jsou balíčky uspořádány ve vnějším obalu, je stále tajemstvím. Na stránce FIA Formula E na YouTube se však objevily poměrně přesné rendery.
Naznačují, že balíčky jsou uspořádány příčně a podélně uvnitř pouzdra, obklopeny systémem sběrnic a chladicím potrubím, a přesto se vejdou do úzkého vnějšího pouzdra.
S veškerým testováním soupravy, testováním na trati a celou sezónou závodů se Gen2 zbavil dobře. Nedošlo k žádným velkým poruchám závodu, týmy byly schopny jet bez tepelných problémů a v průběhu sezóny došlo jen k malé degradaci baterie.
Tato specifikace baterie pokračuje v závodě v sezóně 6 šampionátu, který začal v Saúdské Arábii.
Je zřejmé, že v pravý čas bude existovat baterie Gen3, protože všechny oblasti článků a integrace se opět zlepší. To jistě ovlivní hustotu energie, což povede k lehčím bateriím, nad možnosti současné verze.
Navzdory skoku s baterií Gen2 bychom měli v budoucích generacích opět vidět výrazné zlepšení. Jestli to zdvojnásobí výkon, je sporné a musí se to prokázat. Soutěž o nového dodavatele již běží.
