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经典技术篇:F1背后的威廉姆斯

    F1上海站|2016-03-04

  虽然三大车队在不同时期的F1赛季都曾辉煌过,但相比另外两大车队,作为目前历史最悠久的F1私人车队,威廉姆斯车队一直走与法拉利、迈凯伦不一样的道路。这“不一样”不仅仅指他们使用的车、使用的发动机,我们说的是他们拥有的独门技术、所涉及的赛事,以及他们所经历的故事。接下来两期里,我们将与大家一起发现F1以外的威廉姆斯,了解他们背后那些“独门”故事。本期,我们先从他们的独门技术开始……

  找上门来的技术方案

  各家车队各有打算,“摆得上台面”的技术路线也很快变得清晰,如何储存刹车过程中回收的能量成了各家门派的分水岭,锂电池和超级电容最先被大家想起和接受,威廉姆斯也在论证自己的解决方案。这时一个叫Ian Foley的人找上门,这个自称是汽车混合动力公司Automobile Hybrid Power总经理的家伙带来了他们设计的飞轮解决方案。车队二老板帕特里克·海德觉得这是一个有意思的东西,于是威廉姆斯出资买下了这个仅有三个员工的小公司的部分股份,并且将公司的名字更名为威廉姆斯混合动力Williams Hybrid Power——这可能是威廉姆斯本世纪头一个十年所作出的最正确的决定。

  意想不到的应用前景

  Williams Hybrid Power的发展并没有按照预想的节奏来,不断扩张的技术团队,不断成熟的技术,却没有办法达成最初目的。重达200磅的飞轮混合动力系统始终无法应用在F1赛车上,一方面它太重,另一方面庞大而不可改变的形状让赛车的配重无法良好实现。因此威廉姆斯不得不重新开发了一套基于锂电池的KERS系统来征战F1。

  即便不能在F1上使用,飞轮KERS系统却并非全无价值,开发的过程中积累了大量经验,因祸得福地让威廉姆斯积累了电池技术,以至于后来能够为Formula E建造电池动力系统。

  飞轮系统有劣势,但它的良好特性让人们眼前一亮。相比于传统的化学电池,飞轮系统用纯机械的方式储存能量。在相同的功率输出下,飞轮比电池和超级电容的重量都要轻、循环使用次数更多、使用寿命更长。飞轮系统至少可以进行十万次以上的充放电循环过程,但化学电池只能坚持数千次。更重要的是,飞轮通常使用钢或者碳纤维来制作转子,因此生产过程中不会对环境有太大的破坏,而锂元素对环境的破坏却是致命的。因此,Williams Hybrid Power的飞轮混合动力系统在F1之外找到了它的应用市场,这个市场不仅限于赛车界,它在更广阔的领域获得了发挥空间。

  保时捷 911 GT3-R Hybrid

  2010年,保时捷在日内瓦车展上发布了橙色涂装带有白色竞赛条纹的911 GT3-R Hybrid赛车。这款赛车基于997 GT3而来,特别之处在于,除了用能够提供500hp保时捷传统的后置4升水平对置6缸发动机驱动后轮之外,还有两个能够提供218hp的电机驱动前轮,电机的能源正是来源于Williams Hybrid Power的飞轮KERS系统。储能的飞轮放在赛车副驾驶的位置,正好也能起到配重的作用。

  这台911 GT3-R Hybrid赛车在2010年3月纽博格林举行的第57届ADAC Westfalenfahrt 4小时耐力赛上首秀,2015年5月第一次赢得了VLN系列赛的分站冠军。随后在纽博格林24小时赛中一度表现抢眼,从第九位发车,不断超车,名次上升到第一,并将领先的位置保持了好几个小时,期间一度建立起超过1圈的优势。我们都知道北环的一圈有多长,显然这个优势有点吓人。然而时运不济,在比赛还剩下105分钟时,赛车由于发动机故障不得不中途退赛,让人十分遗憾。

  911 GT3-R Hybrid赛车随后受邀参加了美洲勒芒系列赛和勒芒洲际杯赛,并且参加了珠海1000km的比赛。当时,在老将Jörg Bergmeister和小将Patrick Long驾驶下,在珠海国际赛车场上风头比肩LMP1组的奥迪和标致。赛车单圈速度远超GT组的对手,燃油经济性也非常棒,通常一次加油可以比其他GT赛车多跑两圈,最终毫无悬念地排在所有GT赛车的前面完赛,领先后面的宝马厂队M3 GT2三圈多。

  911 GT3 R hybrid在2011年推出了2.0版本,但混合动力911的项目之后就没有再继续下去,几年之后保时捷带着混合动力的919赛车回到勒芒最高等级的LMP1组别,也许911 GT3 R hybrid的尝试给了他们更大的信心。

  值得一提的是,2010年,时任威廉姆斯车手的Nico Hulkenberg在纽博格林北环测试了这台Hybrid赛车,五年之后,他驾驶的919 hybrid赛车为保时捷赢下第17个勒芒24小时总冠军。

  时至今日,勒芒LMP1组保时捷、奥迪、丰田都将混合动力系统融入整个赛车。回看911 GT3 R hybrid,那时候的飞轮混合动力系统还没有整体融入赛车,是一种“半吊子”的hybrid,这就造成了911 GT3 Rhybrid必然是一个过渡的车型,此后再无后继也可以理解了。

  奥迪 R18 e-tron quattro

  2012年是勒芒洲际杯更名为世界耐力锦标赛(WEC)的第一年,过去几年在LMP1组比赛里获得巨大成功的奥迪在保留上年度参赛R18 ultra赛车的同时,还实验性地推出了混合动力版R18 e-tron quattro。这款赛车采用了威廉姆斯的飞轮作为混合动力的储能系统,性能比用在保时捷911 GT3 R ybrid上的更加强大。

  2012年的勒芒24小时奥迪派出空前阵容,奥迪Sport Team Joest和奥迪 Sport North America共有四台赛车参赛,其中两台是R18 e-tron quattro。排位赛新赛车的优势并不明显,但正赛里,节能高效的性能被充分发挥出来,两台混合动力版的R18一举拿下前两名,R18 e-tron quattro成为勒芒史上首个混合动力冠军赛车,也同时成为首个四驱冠军赛车。由于飞轮混合动力系统驱动前轮,因此R18 e-tron quattro是一个部分时间的四驱赛车。

  2013年,赛会规则将奥迪的混合动力系统限制在速度在120km/h以上时才能使用,但依然不能阻挡奥迪夺冠的脚步。2014年,对手丰田TS040在强大的超级电容混合动力系统的帮助下速度得到了极大的提升,新进入LMP1组的保时捷也虎视眈眈,然而在勒芒这样的长距离比赛中R18 e-tron quattro依然获胜。

  2015年,奥迪依然使用飞轮系统储存能量,但这一年能量等级已经从之前的2MJ提升到了4MJ,然而这时候LMP1组的较量已经完全成为了混合动力技术的较量,保时捷的汽油发动机相比于奥迪的柴油发动机在赛会规则上更占优势,他们采用了更高能量水平的混合动力技术。虽然奥迪在开赛拿下了两场WEC分站的胜利,但是这一年勒芒24小时冠军被保时捷夺得。

  2015年倒数第二站上海站比赛的周末,笔者与Audi Sport Team Joest车队的车队总监Ralf Juttner先生进行了交流。他表示,2015年为了提升能量回收等级在赛车轻量化方面做了非常多的工作,如果还需要提升能量回收等级的话将会很难。他还表示,现在虽然还在使用飞轮储存能量,但未来将会向任何可能的方向发展。那时候我预感,也许飞轮在R18车身上的历史将要告一段落了。不满一个月后的11月28日,奥迪发布了2016款的R18 e-tron quattro,这款鼻锥酷似F1的奥迪LMP1赛车将能量回收等级从4MJ提升到了6MJ,而为了达到这个目的,能量储存单元从飞轮换成了锂电池。

  飞轮混合动力系统的其他应用

  飞轮系统不仅在汽车运动领域被应用,还找到了民用化的解决方案。2012年,威廉姆斯的飞轮系统迎来了Go-Ahead集团,这家英国最大的铁路旅客运输和伦敦最大的巴士运营商给了Williams Hybrid Power展示的机会。2013年在伦敦巴士上做了测试,事实证明,使用了飞轮混合动力之后,可以节省20%的燃料。随后公司又与世界最大的有轨电车制造商法国阿尔斯通公司合作,在他们的有轨电车上做了应用测试。

  威廉姆斯觉得飞轮混合动力技术已经成熟到可以进行大规模商业化应用的阶段,而公司并没有大规模制造的能力。2014年4月,威廉姆斯大奖赛控股公司(威廉姆斯F1车队的母公司)将Williams Hybrid Power卖给了他们熟悉的合作伙伴英国的GKN公司,但威廉姆斯依然保留了专利权,威廉姆斯先进技术公司Williams Advanced Technology依然继承了该技术。

  Formula E的电池系统——源自F1的技术

  威廉姆斯迄今为止最后一次参与到F1之外的赛车运动,要数2014年才刚刚举办的FIA电动方程式(Formula E)锦标赛。威廉姆斯为这台赛车提供了动力储存单元——电池系统。听到这个消息,多少会让人惊讶,因为威廉姆斯车队是一支独立的赛车制造商,他们有制造赛车部件的能力,却从来没有制造过发动机之类动力提供部件。然而,威廉姆斯开发电池系统却并非没有根基。前文所述,威廉姆斯为F1赛车开发了两套KERS系统,一套是用飞轮做储能单元,另一个是以电池为储能单元。正是这个经历,为日后的工作打下了坚实的基础。

  突破重重困难

  为了给全新的电动方程式FE设计和建造电池系统,威廉姆斯的子公司——威廉姆斯先进技术工程公司(Williams Advanced Engineering)也面临不少困难。

  首先是工期紧张。由于种种原因,FIA确定各项规则时候,离FE赛车的第一次上路测试的时间只剩下六个月。要设计和建造一个前所未有的纯电动赛车电池系统,这挑战可想而知。要知道,世界上并没有太多的机构能够在如此短暂的时间完成这项任务,而这些机构当中,同时又具有丰富赛车经验的就更加凤毛麟角了。

  其次,FE是个单一品牌的赛事,所有车队和车手都使用同样赛车。同样的赛车自然需要使用完全相同的电池系统,这就意味着相同的电池系统要生产至少42台。我们知道,FE虽然大约只有21个车手参赛,但是每人每场比赛要使用两台车。比赛中途进入维修站,不是加油,而是更换赛车。要保证竞争的公平,必须确保每台赛车的电池系统百分之百无差异,无论是电池电量还是输出功率都必须一样。与此同时,还要保证从第一个赛季开始到第二个赛季结束,这种一致性必须始终保持。

  再次,温度管控和灭火系统也是重大的考验。温度管控和灭火系统非常重要,以至于对赛车结构也有很大影响,必须在底盘设计之初就考虑布置和安装的问题,因此一开始就得和底盘制造商达拉拉Dallara进行协调。这不仅有难度,而且也使得工期更加紧张,必须在达拉拉为赛车定型之前完成协调工作。为了使得电池快速冷却,还必须为此开发专用的液体冷却系统。

  由于FIA的技术要求,电池的安全组件必须与赛车的主体结构相融合,电池系统也要和赛车底盘一起通过FIA碰撞测试的检验。按照要求,在碰撞之后,即便赛车发生了剧烈形变,电池也必须依然安全,并且如果必要,电池还需要能够继续使用。

  最后一个考验来自于运输。由于Formula E是世界巡回赛,赛车需要搭乘航班飞去世界各地的赛场,然而对于锂电池上飞机,联合国有非常严格的规定。(我们上飞机,带个小小的充电宝也要被查来查去,更何况这是重达两百多公斤的大电池呢。)因此,电池系统必须通过各项航空安全监测,以确保航空运输的可能。

  这一切困难都被威廉姆斯先进技术公司克服了,电池系统顺利交付使用,再配合上迈凯伦开发的电机和传动系统,电动方程式FE全新的动力链就构建完成了。2014年9月,电动方程式顺利在北京鸟巢进行了首场比赛。随后,经过整个赛季的检验,FE的电池系统相当可靠,全年11站比赛仅仅发生了一次故障。

  令人惊讶的性能和表现

  FE的电池系统最初设计提供133KW功率,经过多次测试,威廉姆斯2014年鸟巢首次比赛前将输出功率提升到了150KW。经过一年时间的比赛检验,威廉姆斯再一次对电池系统进行了升级,2015年赛季开始前,威廉姆斯先进技术工程公司宣布新赛季所有赛车将可以使用170KW的功率输出,这相当于231hp。加之FE所特有的Fanboost奖励,赛车最大功率输出将可能达到200KW,相当于270hp。

  相对于F1的发动机输出,这样的功率并不显眼,然而,赛车依然可以达到百公里加速3秒,极速225km/h的速度。由此,我们也可以看到,技术的改进速度是超乎想象的。

  光明的前景

  正如威廉姆斯先进技术工程公司的董事总经理Craig Wilson所说,“电动方程式FE就是要将电动汽车技术推向极致,向人们展示技术的快速进化。”

  也许,我们可以期待,在不久的将来,FE赛车的电池储能量将大幅度增加,比赛中将不需要更换赛车,输出功率大幅度提升到接近顶级方程式的动力水平,甚至与F1形成全面竞争的局面。回到我们的现实生活中,我想,电动车的普及速度将比你我想象得更加快。

  回味,展望

  赛车上的新科技有很多都最终应用到民用汽车上,威廉姆斯车队开发的混合动力技术也一样。威廉姆斯与捷豹合作打造了纪念捷豹诞生75的车C-X75。2010年刚刚作为概念车亮相的时候公布,C-X75将通过四个195hp的电机分别驱动四个车轮,同时配合两台柴油燃气轮机。后来计划的量产版本则是采用插电混合动力系统的性能怪兽。一台直4双涡轮增压发动机配合两台电机总体输出750hp。而预计售价也是高得惊人的90万英镑。后来由于经济危机的因素,捷豹放弃了量产该车的计划。不过去年年底,我们在最新的007电影《幽灵党》中看到它的身影。如今看来重启量产的可能性似乎并不大,但这笔技术遗产必然能发挥巨大的作用。

  汽车的电动化、智能化已经是可以预见的必然趋势,在技术边界上开疆拓土的人群中,也有威廉姆斯的身影。瞧!他们正要和捷豹一起组队参加电动方程式Formula E呢。

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