主辦單位：中國(guó)電源學(xué)會(huì)科普工作委員會(huì)、英飛凌科技（中國(guó)）有限公司零碳工業(yè)功率事業(yè)部

第三屆電力電子科普作品創(chuàng)作大賽-三等獎(jiǎng)

上?？萍即髮W(xué) 劉冠江、諸葛英健、王浩宇

5月31日至6月1日，2025 ABB國(guó)際汽聯(lián)電動(dòng)方程式世界錦標(biāo)賽（以下簡(jiǎn)稱FE或Formula E）重返上海國(guó)際賽車場(chǎng)。此役是FE本賽季引入的最新款賽車Gen3 Evo首次登陸國(guó)內(nèi)，高達(dá)350kW的最大輸出功率、322km/h的最高時(shí)速、1.86s的零百加速時(shí)間，這一系列夸張的數(shù)據(jù)讓全世界賽車迷都為之熱血沸騰。

圖1 Formula E上海站@上海國(guó)際賽車場(chǎng)

伴隨著賽道上電動(dòng)賽車穿梭疾馳，這項(xiàng)被譽(yù)為“汽車界最前沿實(shí)驗(yàn)室”的頂級(jí)賽事也為電動(dòng)出行和電力電子技術(shù)帶來了全新的突破。本賽季，與Gen 3 Evo賽車一起亮相FE比賽的還有Pit Boost進(jìn)站快充環(huán)節(jié)，我們不僅見證了速度與激情的較量，更親歷了高壓直流充電、電池?zé)峁芾淼惹把仉娏﹄娮蛹夹g(shù)如何在極限條件下被實(shí)踐與打磨。接下來，就讓我們從本賽季令人矚目的創(chuàng)新技術(shù)出發(fā)，聊聊FE背后的電力電子黑科技。

一、FE Pit Boost系統(tǒng)介紹

Pit Boost是FE在第11賽季引入的一項(xiàng)創(chuàng)新且強(qiáng)制性的賽中功能，主要應(yīng)用于雙連賽。其核心目的是通過在維修區(qū)為賽車提供10%的額外能量（相當(dāng)于 3.85kWh）來增加比賽的競(jìng)爭(zhēng)性和戰(zhàn)略性。充電功率高達(dá)600kW，充電時(shí)間僅為30秒，整個(gè)維修站停留時(shí)間最短為34秒。車手必須在國(guó)際汽聯(lián)預(yù)先確定的電池電量（SoC）窗口內(nèi)（通常在40%到60%之間）進(jìn)入維修區(qū)進(jìn)行充電。這項(xiàng)技術(shù)由 Fortescue Zero 提供，彰顯了其在推動(dòng)電動(dòng)出行技術(shù)邊界方面的作用[1]。

圖2 Formula E Pit Boost快充系統(tǒng)

這項(xiàng)技術(shù)的演進(jìn)，其戰(zhàn)略性是由其技術(shù)能力所驅(qū)動(dòng)的。最初，F(xiàn)ormula E 曾計(jì)劃將其命名為“Attack Charge”，并與其“Attack Mode”功能結(jié)合。然而，Pit Boost 現(xiàn)在作為一項(xiàng)獨(dú)立功能存在[2]。這種分離表明，充電系統(tǒng)的技術(shù)能力，特別是其可靠性和速度，已經(jīng)發(fā)展到足以獨(dú)立成為一項(xiàng)重要的比賽改變功能，而不僅僅是另一種模式的輔助。這種獨(dú)立性為比賽策略增加了兩個(gè)不同的決策層面，從而提升了比賽的復(fù)雜性和觀賞性[3]。

此外，賽車運(yùn)動(dòng)在推動(dòng)消費(fèi)者接受電動(dòng)汽車方面發(fā)揮著催化劑的作用。Formula E明確將自身定位為“賽道到公路”的技術(shù)平臺(tái)。600kW 維修站充電的震撼視覺效果，遠(yuǎn)超消費(fèi)者充電速度[4]，直接解決了電動(dòng)汽車普及的主要顧慮之一：充電時(shí)間。通過在競(jìng)爭(zhēng)激烈的賽車環(huán)境中展示這種極致能力，F(xiàn)ormula E 不僅在開發(fā)技術(shù)，還在積極影響公眾認(rèn)知，并通過展示技術(shù)可行性來加速電動(dòng)汽車的接受和普及[5]。賽道上性能的證明和視覺上的沖擊力直接轉(zhuǎn)化為消費(fèi)者對(duì)電動(dòng)汽車日常使用能力的更積極看法。

1. 高壓直流系統(tǒng)

Pit Boost充電器系統(tǒng)工作在約900V的高壓系統(tǒng)下。Gen3和Gen3 Evo Formula E賽車本身也采用了標(biāo)稱900V的架構(gòu)，最大電壓額定值為1000V。如果采用400V系統(tǒng)（如一些老式電動(dòng)汽車），要實(shí)現(xiàn)600kW的功率，峰值電流將高達(dá)1500A，這將需要“巨大”的電纜。相比之下，900V系統(tǒng)在相同功率下顯著降低了電流，從而減輕了電纜和連接器設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)，使得組件可以更緊湊、更輕，并減少了I2R損耗（熱量產(chǎn)生），提高了整體系統(tǒng)效率。這表明了電力電子學(xué)的一個(gè)基本原理：高功率傳輸需要高電壓才能有效管理電流和損耗，這一趨勢(shì)也已滲透到高性能消費(fèi)級(jí)電動(dòng)汽車中。

圖3 國(guó)產(chǎn)800V架構(gòu)電動(dòng)汽車

2. 車載儲(chǔ)能單元（ESU）

盡管官方未明確說明Fortescue Zero為Pit Boost提供的特定轉(zhuǎn)換器，但其旗下高功率轉(zhuǎn)換產(chǎn)品展示了Fortescue Zero在高密度功率轉(zhuǎn)換方面的專業(yè)能力[8]。例如EBN3000和LUN700，二者都是雙向非隔離式升降壓直流-直流轉(zhuǎn)換器，分別能夠傳輸高達(dá)4.5MW和700kW的功率。

圖4 Fortescue Zero EBN3000（左）及LUN700（右） buck-boost轉(zhuǎn)換器

然而在賽車臨時(shí)賽道上直接從電網(wǎng)抽取600kW的功率通常是不切實(shí)際或不可能的，因此Pit Boost系統(tǒng)在便攜式充電設(shè)備中集成了車載儲(chǔ)能單元（ESU）。ESU由“二次利用的電動(dòng)汽車電池”組成，它允許系統(tǒng)在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)從電網(wǎng)（或發(fā)電機(jī)）儲(chǔ)存能量，然后在30秒的充電過程中迅速將其釋放到賽車中。這相當(dāng)于為賽車提供了一個(gè)“移動(dòng)電源”。Fortescue Zero的便攜式設(shè)備設(shè)計(jì)為每場(chǎng)比賽提供兩次電池充電，這意味著ESU具有足夠的容量來支持多次高功率放電。

將分布式儲(chǔ)能作為一種不受電網(wǎng)限制的超快速充電解決方案，其意義重大。臨時(shí)賽道上的電網(wǎng)限制問題是電動(dòng)汽車大規(guī)模普及和超快速充電基礎(chǔ)設(shè)施所面臨的更廣泛挑戰(zhàn)的一個(gè)縮影。ESU解決方案不僅僅是賽車特有的權(quán)宜之計(jì)，它是一種高度可擴(kuò)展和適應(yīng)性強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)世界應(yīng)用模式。它允許在電網(wǎng)容量不足或電網(wǎng)升級(jí)成本高昂、耗時(shí)長(zhǎng)的地區(qū)部署超快速充電器。這種“移動(dòng)電源”方法將瞬時(shí)充電功率與電網(wǎng)的即時(shí)供電能力解耦，即使在偏遠(yuǎn)或服務(wù)不足的地區(qū)也能實(shí)現(xiàn)高功率充電。這對(duì)于全球電動(dòng)汽車基礎(chǔ)設(shè)施的擴(kuò)展具有重要意義，特別是對(duì)于未來將普遍采用兆瓦級(jí)充電的重型工業(yè)應(yīng)用。

二、FE賽車的電力電子架構(gòu)

1. 功率轉(zhuǎn)換技術(shù)

電動(dòng)汽車動(dòng)力單元的核心包括電機(jī)和逆變器等，逆變器負(fù)責(zé)在加速時(shí)將電池的直流電轉(zhuǎn)換為交流電供給電機(jī)，并在動(dòng)能回收時(shí)將再生能量的交流電轉(zhuǎn)換回直流電充入電池[6]。在Formula E中，制造商被允許自行設(shè)計(jì)電機(jī)、逆變器、變速箱和后懸架，這促進(jìn)了電力電子領(lǐng)域的創(chuàng)新[7]。

圖5 Venturi車隊(duì)所使用的邁凱倫120kW電機(jī)以及ROHM SiC 逆變器

2. 先進(jìn)半導(dǎo)體器件

碳化硅（SiC）是Formula E逆變器中主要采用的半導(dǎo)體技術(shù)。與傳統(tǒng)硅（Si）IGBT相比，其優(yōu)勢(shì)對(duì)于實(shí)現(xiàn)極致性能至關(guān)重要。SiC具有更低的開關(guān)損耗（與IGBT相比可降低高達(dá)75%）和傳導(dǎo)損耗，從而減少功率耗散和熱量浪費(fèi)。這使得SiC器件能夠在更高頻率下運(yùn)行，并處理更高的電壓和電流，從而實(shí)現(xiàn)更小、更輕的逆變器設(shè)計(jì)。例如，Venturi車隊(duì)使用全SiC模塊的逆變器重量從15kg降至9kg[9]。此外，SiC能夠在更高溫度下運(yùn)行（最高結(jié)溫Tj,max可達(dá)150-175°C），并產(chǎn)生更少的熱量，從而簡(jiǎn)化了冷卻要求。SiC高效的功率轉(zhuǎn)換帶來了更高的扭矩和加速性能，主要供應(yīng)商包括onsemi（梅賽德斯-EQ）、Wolfspeed（捷豹 TCS）和Hitachi ABB Power Grids等[10]。

圖6 SiC相對(duì)與Si-IGBT具有更低的開關(guān)損耗

盡管SiC在主牽引逆變器中占據(jù)主導(dǎo)地位，但像BrightLoop Converters這樣的公司在Formula E車隊(duì)的直流-直流轉(zhuǎn)換器中使用了氮化鎵（GaN）功率半導(dǎo)體。這些轉(zhuǎn)換器為低壓電子設(shè)備（泵、照明、無線電）供電，并且比非GaN同類產(chǎn)品顯著更小、更輕、更高效（體積和重量減少一半）[11]。GaN具有非常高的臨界電場(chǎng)，有助于提高效率[12]。

  圖7 捷豹TCS車隊(duì)賽車，搭載Wolfspeed SiC器件

寬禁帶半導(dǎo)體在推動(dòng)電動(dòng)汽車性能極限方面發(fā)揮著協(xié)同作用。研究資料清楚地界定了SiC和GaN的作用：SiC因其在高電壓和大電流下的卓越效率、熱性能和功率密度而被強(qiáng)調(diào)用于牽引逆變器等高功率應(yīng)用,而同為寬禁帶材料的GaN因其在低功率、高頻輔助系統(tǒng)中的應(yīng)用而聞名。這并非SiC和GaN之間的競(jìng)爭(zhēng)，而是一種互補(bǔ)應(yīng)用。SiC處理大功率，實(shí)現(xiàn)600kW的能量回收和高效的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，而GaN則優(yōu)化了低功率、高頻輔助系統(tǒng)的效率和小型化。這些寬禁帶半導(dǎo)體共同為Formula E所需的極致功率密度、效率和減重提供了根本性的支持，預(yù)示著未來SiC和GaN將在消費(fèi)級(jí)電動(dòng)汽車中普遍存在，各自根據(jù)功率水平和頻率要求發(fā)揮特定作用。

3. 電池管理系統(tǒng)和智能軟件

充電器與賽車的電池管理系統(tǒng)（BMS）直接接口，確保充電周期符合電池電芯的安全協(xié)議。Fortescue Zero的“Elysia”電池智能軟件是Pit Boost超快速充電技術(shù)中的關(guān)鍵組成部分。Elysia的主要功能包括優(yōu)化充電速度，同時(shí)保護(hù)電池壽命和完整性。它使賽車電池能夠?qū)崿F(xiàn)約15C的極高充電倍率，意味著電池可以在1/15小時(shí)（即4分鐘）內(nèi)充滿電，這突顯了30秒充電的強(qiáng)度。Elysia將車載嵌入式BMS算法與強(qiáng)大的云產(chǎn)品相結(jié)合，為原始設(shè)備制造商（OEM）和車隊(duì)運(yùn)營(yíng)商提供前所未有的電池健康洞察，支持電池保修確定性、殘值計(jì)算和新的電池融資模式。

圖8 Fortescue Zero “Elysia”電池智能軟件

軟件定義的電池性能是超快速充電的下一個(gè)前沿。盡管硬件（高電壓、SiC）提供了原始功率，但Elysia軟件被反復(fù)強(qiáng)調(diào)為“優(yōu)化速度同時(shí)保持電池壽命和完整性”以及實(shí)現(xiàn)15C充電倍率的關(guān)鍵。這表明僅僅向電池施加高功率是不夠的；需要智能軟件來管理極端充電過程中復(fù)雜的電化學(xué)過程。這預(yù)示著電池設(shè)計(jì)正從純粹的硬件中心轉(zhuǎn)向“軟件定義電池”的方法。這對(duì)于消費(fèi)級(jí)電動(dòng)汽車來說是一個(gè)關(guān)鍵的啟示，因?yàn)樗馕吨磥淼某焖俪潆妼?yán)重依賴于復(fù)雜的電池智能，以平衡速度、安全性與使用壽命，超越簡(jiǎn)單的恒流/恒壓充電曲線。

三、極端充電下的電池技術(shù)與熱管理

1. 賽車電池規(guī)格

Gen3賽車的標(biāo)準(zhǔn)化鋰離子電池由Williams Advanced Engineering提供。Gen3電池的可用能量容量為38.5kWh，總?cè)萘考s為51kWh。Pit Boost額外增加3.85kWh，占總?cè)萘康?0%。電池組重約284 kg。下表列出了 Formula E Gen3/Gen3 Evo 賽車的關(guān)鍵電氣規(guī)格：

表1 Formula E Gen3/Gen3 Evo 關(guān)鍵電氣規(guī)格 1

在電池電芯化學(xué)方面的挑戰(zhàn)與創(chuàng)新方面，電池設(shè)計(jì)是功率、續(xù)航里程和防火安全之間的權(quán)衡[13]。高能量密度材料如鋰和鎳（例如811型化學(xué)物質(zhì)）在充電時(shí)會(huì)迅速升溫并存在火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，而鈷和錳有助于延長(zhǎng)循環(huán)壽命和溫度管理。Gen3快速充電的最初引入曾因“測(cè)試中持續(xù)存在的電池問題”而延遲，WAE也指出新電池存在“高降解”問題，這表明在實(shí)現(xiàn)可靠的超快速充電方面存在重大挑戰(zhàn)。研究中還提到了一種潛在的、未經(jīng)證實(shí)的創(chuàng)新，即在電池化學(xué)中可能使用鋁，它具有高能量密度和快速充電的特點(diǎn)，但傳統(tǒng)上電池壽命較差（降解）。此外，超級(jí)電容器被提及有助于緩沖突然的能量涌入，防止電池電芯在充電過程中受損。

圖9 Gen2 賽車及其電池包

電芯化學(xué)、系統(tǒng)架構(gòu)和軟件在緩解快速充電挑戰(zhàn)方面的相互作用至關(guān)重要。實(shí)現(xiàn) 600kW 充電不僅僅取決于充電器，更根本地取決于電池接受如此高功率的能力。這不僅僅是選擇合適的電芯；它關(guān)乎優(yōu)化整個(gè)電池系統(tǒng)，從內(nèi)部電芯化學(xué)和封裝（例如軟包電芯[14]）到外部緩沖組件（超級(jí)電容器）的集成，以及至關(guān)重要的由Elysia等軟件提供的智能控制。這種整體方法對(duì)于在極端充電條件下平衡功率、能量密度、安全性與壽命之間的矛盾需求至關(guān)重要，這一挑戰(zhàn)對(duì)于追求更長(zhǎng)壽命的消費(fèi)級(jí)電動(dòng)汽車而言更為突出。

2. 先進(jìn)熱管理系統(tǒng)

鑒于極高的充電速度，有效的熱管理對(duì)于防止過熱、確保安全和延長(zhǎng)電池壽命至關(guān)重要。Formula E電池（165個(gè)液冷軟包電池）采用了液冷策略，其基本原理與量產(chǎn)電動(dòng)汽車相似，但在溫度閾值方面有顯著差異[15]。量產(chǎn)電動(dòng)汽車的目標(biāo)工作溫度約為29°C，而Formula E電池的電芯峰值可達(dá)57°C，之后BMS才會(huì)開始限制功率輸出。這種更高的工作溫度窗口允許更激進(jìn)的性能表現(xiàn)。

圖10 Formula E電池包液冷結(jié)構(gòu)

充電器內(nèi)部的專用液冷功率模塊調(diào)節(jié)能量流，防止熱失控。充電連接器本身也采用液冷技術(shù)，以確保充電電纜和電池在進(jìn)行高功率傳輸時(shí)保持在最佳溫度。整個(gè)系統(tǒng)還采用了介電冷卻液回路，以防止過熱并提高充電效率。散熱器和冷卻回路經(jīng)過專門設(shè)計(jì)，即使在最炎熱的比賽條件下也能應(yīng)對(duì)產(chǎn)生的熱量。在維修區(qū)，當(dāng)賽車靜止且缺乏氣流時(shí)，技師會(huì)在側(cè)箱前安裝氣泵和裝有干冰的容器，以冷卻電池和電機(jī)。Williams Advanced Engineering甚至申請(qǐng)了專利，開發(fā)出可以將電池產(chǎn)生的熱量回收用于駕駛艙加熱的冷卻系統(tǒng)，展示了先進(jìn)的熱能回收技術(shù)。

圖11 Formula E逆變器及電機(jī)液冷結(jié)構(gòu)

從充電器的功率模塊到電纜、連接器以及電池電芯本身。特定冷卻劑的使用、先進(jìn)冷卻板的設(shè)計(jì)，甚至半導(dǎo)體（SiC）的選擇，都是復(fù)雜熱管理策略的組成部分。這表明，對(duì)于任何高功率電動(dòng)汽車應(yīng)用，熱管理系統(tǒng)與電力電子組件本身一樣關(guān)鍵，它決定了關(guān)鍵組件的性能、安全性和壽命。其“賽道到公路”的意義在于，消費(fèi)級(jí)電動(dòng)汽車將越來越多地采用更復(fù)雜、更集成的熱管理解決方案，以實(shí)現(xiàn)更快的充電速度和更穩(wěn)定的性能。

四、結(jié)語

Formula E明確將自身定位為“賽道到公路”的技術(shù)平臺(tái)，通過在競(jìng)爭(zhēng)激烈的環(huán)境中展示尖端創(chuàng)新，加速電動(dòng)汽車的開發(fā)和普及。Pit Boost 不僅僅是一項(xiàng)體育賽事功能；它是一個(gè)活生生的實(shí)驗(yàn)室，展示了超快速充電在遠(yuǎn)超當(dāng)前主流消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品功率水平下的可行性和可靠性。從FE中學(xué)到的經(jīng)驗(yàn)，特別是在電力電子設(shè)計(jì)、熱管理和智能電池控制方面的經(jīng)驗(yàn)，可直接應(yīng)用于更廣泛的電動(dòng)汽車市場(chǎng)和重工業(yè)。這種“賽道到公路”的理念通過解決充電時(shí)間限制和基礎(chǔ)設(shè)施限制等關(guān)鍵挑戰(zhàn)，加速了向電動(dòng)出行的過渡，為未來在各種應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)快速、高效、可持續(xù)的電動(dòng)汽車充電鋪平了道路。