Není tak sofistikovaná jako F1, ale přesto má Formule E mnoho technických zákoutí, která stojí za prostudování. Článek v některých případech zabíhá do největších detailů o principech fungování systémů v autě. Některé detaily si týmy pečlivě střeží před soupeři, a proto ani my nemůžeme nabídnout jejich popis.
1. Šasi a design
Vizuální stránka aut specifikace Formule E aktuálně odpovídá její již třetí generaci, formálně označované též jako Gen3. Ta nahradila předešlé dvě designové generace Gen1 a Gen2 používaných v úplných začátcích série mezi sezónami 2014/15 až 2017/18, respektive 2018/19 až 2021/22. Aktuální generace aut je novinkou sezóny 2023 a má tedy před sebou celý cyklus. Cyklické omlazování probíhá každé 4 roky a netýká se pouze vizuální stránky. Neodmyslitelně jsou na to navázány i změny v samotné konstrukci, aerodynamice, technologickém vybavení, ale i oblasti sportovních a technických pravidel. Níže můžete v přehledné tabulce porovnat změny všech tří uvedených generací a zároveň si udělat obrázek jakou cestu již Formule E ušla.
| Gen 1 (2014-17)* | Gen 2 (2018-22) | Gen3 (2023-26) | |
|---|---|---|---|
| Délka | 5 000 mm | 5 160 mm | 5 016,2 mm |
| Šířka | 1 780 mm | 1 770 mm | 1 700 mm |
| Výška | 1 050 mm | 1 050 mm | 1 023,4 mm |
| Rozchod kol vpředu | 1 528 mm | 1 553 mm | 1 553 mm |
| Rozchod kol vzadu | 1 492 mm | 1 505 mm | 1 380 mm |
| Rozvor kol | 3 100 mm | 3 100 mm | 2 970,5 mm |
| Výška podlahy | max. 75 mm | max. 75 mm | max. 65 mm |
| Min. váha (vč. jezdce) | 883 (baterie 320) kg | 903 (baterie 385) kg | 840 (baterie ?) |
| Počet elektromotorů | 1 (vzadu) | 1 (vzadu) | 2 (vpředu i vzadu) |
| Kapacita baterie | 28 kWh | 54 kWh | 47 kWh |
| Čas do plného nabití** | 60 min | 45 min | ? (až 600 kW nabíjení) |
| Max. výkon | 200 kW | 250 kW | 350 kW |
| Max. výkon v závodním režimu | 180 kW | 220 kW | 300 kW |
| Max. regenerativní výkon | 150 kW | 250 kW | 600 kW |
| Max. rychlost | 225 km/h | 280km/h | 322 km/h |
| Zrychlení 0-100 km/h | 3,0 s | 2,8 s | 2,7 |
* Některé parametry se v průběhu sezón měnily, srovnání zahrnuje hodnoty ze sezóny 2017/18
** Nelze dohledat nabíjecí výkon
Hlavním technickým úkolem pro konstruktéry při návrhu Gen3 bylo dosáhnout vyšší úrovně přítlaku a současně s tím zvýšit i aerodynamickou přilnavost. Přilnavost hraje důležitou roli při situacích, kdy vozy jezdí v těsné blízkosti za sebou. Vyšší míra gripu zlepšuje ovladatelnost auta, a zlepšuje tak podmínky pro předjíždění. V minulosti pomáhala snižovat účinek nepříjemných turbulencí vznikajících za druhou formulí částečná kapotáž předních a zadních kol. Tyto prvky současná Gen3 auta nemají. Většina z dostupného přítlaku je generována díky obřímu difuzoru, který je skutečně nepřehlédnutelný. Vzhledem k jeho velkým rozměrům mohlo být upuštěno od zadních křídel, jež jsou jedním z klasických prvků formulových sérií.
Design prozatím všech formulí pochází nebo pocházel z dílny Spark Racing Technology. Konstrukce je jednotná pro všechny týmy, přičemž její vývoj je zakázán. Stejně tak je zakázáno mít připraven náhradní vůz. Povolena je pouze výměna jeho jednotlivých komponent, například po incidentu. Výrobcem šasi je italská společnost Dallara. Týmy si opět musí vystačit pouze s jedním kusem šasi po celou sezónu. Možnou opravu či výměnu šasi mohou schválit jen komisaři, a to na základě zprávy technického delegáta.
2. Baterie
Ústředním bodem vozu Formule E je baterie, respektive celý bateriový systém. Jde o nejdůležitější část auta. Nejenže je jádrem hnacího ústrojí, ale zaujímá 40 % hmotnosti vozu, která je soustředěna za pilota. Běžně se mluví jako o baterii, ale nomenklatura seriálu akumulátory zná jako RESS (Rechargeable Energy Storage System). Někdy bývá baterie označována jako trakční, protože se stará o pohon auta a je uzpůsobena hlubokému cyklickému vybíjení, na rozdíl od klasické 12V, která je běžná v autě se spalovacím motorem. V rámci přiblížení technických parametrů tohoto systému ale zůstaneme pouze u baterie.
Insight: We take a look at the updated @williamsadveng #FormulaE battery >> https://t.co/b1rfJnc9yY pic.twitter.com/XKb8A3TtxN
— ABB FIA Formula E World Championship (@FIAFormulaE) April 19, 2017
Baterie vozů Formule E se stejně jako baterie již dnes konvenčních elektroaut skládají z mnoha dílčích bateriových článků. Baterie aut specifikace Gen3 s přispěním nové architektury v sobě má více než 5 000 takových článků. Ty jsou rozděleny do jednotlivých modulů, z nichž každý obsahuje množství článků typu AA, které se běžně používají třeba v dálkovém ovládání. Články jsou dodávány japonskou společností Murata patřící pod Sony. Vzájemným propojením modulů paralelně nebo do série vzniká výsledný bateriový systém schopný produkovat napěťový potenciál až 800 V a skladovací kapacitu 47 kWh.
To je takřka dvojnásobek výkonu, než měla starší baterie Gen1, ale zároveň méně než měly vozy Gen2. Dáno je to vývojem technologií pro rekuperaci energie, díky nimž je schopna třetí generace aut regenerovat až 40% vydané energie. Nevýhodou nových baterií je ale jejich hmotnost. Samotné články váží 250 kg. S ostatními prvky akumulátorové soustavy jako kabely, chlazení nebo kryty je to pak o 100 kg více. V ranné fázi šampionátu byl dodavatelem baterií Williams Advanced Engineering. Ten pro první sezónu dostal jen omezený čas na vývoj, a tak zkrátka přistoupil k požadavku po svém. Nejvíce na to doplatila kapacita baterií, a proto jezdci museli přesedat během závodu do druhé formule. Williams použil baterie váčkového typu velikosti vycpané obálky A4 od společnosti Xalt. Dílčích modulů bylo pouze pět. Výhodou řešení s plochými články byla ale možnost použití chladících desek pro účinné řízení teploty elektrických kontaktů. V obecné rovině baterie nejlépe fungují v určitém teplotním okně – ani chlad ani horko jim nesvědčí. Pokud se článek přehřeje, může dojít k jeho selhání a dalšímu nárůstu teploty uvnitř modulu. Celý proces je nazývaný jako tepelný únik. Aby se zabránilo selhání, měly baterie samostatný řídící systém označovaný jako BMS. Ten monitoroval míru napětí, teplotu i stav nabití každého jednotlivého článku. Pokud se teplota článků zvýšila, BMS varoval řídící jednotku, aby omezila výstupní výkon. V krajním případě, jako poslední bezpečnostní opatření, řídící jednotka dávala příkaz k přerušení chodu motoru. Tímto způsobem byla zabezpečena ochrana bateriových článků proti jejich nezvratnému poškození.
Druhou generaci aut svými bateriemi napájel McLaren v kooperaci se specialisty z firmy Atieva, používající články Murata. Mohlo by se zdát, že technologický pokrok mezi generacemi byl markantní. Nicméně nejednalo se o žádné převratné řešení. McLarenu se „pouze“ podařilo poskládat články úsporně, čímž jich byl schopen do systému vměstnat více a vzájemně je chytře pospojovat. Propojení článků a chlazení bylo kvůli malému válcovému tvaru radikálně odlišné od řešení Williamsu. Použity byly vlnité chladící pláty pro povrchové chlazení článků. Moduly, v nichž byly články uspořádány, na sobě měli chladící zařízení v principu podobné chladiči v autě a dále nesly manifold s elektrickými sběrnicemi pro připojení. Všechny moduly měli jeden společný výstup o 800 V DC.
Dojde-li k nehodě v závodě, baterie zůstává pod napětím. Existuje proto reálné riziko úrazu elektrickým šokem, který může dostat sám pilot nebo i traťoví maršálové při odklízení auta. Baterie je proto zasazena do karbonové ochranné skříně a izolována je skelnými vlákny. Pro případ, že by došlo k porušení i této skříně, je chladící kapalina baterie dielektrickou, na bázi oleje a není dále schopna vést elektřinu. Akumulátory všem účastníkům stále dodává McLaren Applied Technologies. Smlouva mu končí po sezóně 2021/22 a štafetu opět přebere Williams Advanced Engineering, který byl výhradním dodavatelem baterií v úvodních čtyřech ročnících. Vyvázání z plnění role oficiálního dodavatele McLarenu umožňuje postavit se na start jako tým, o což už dříve projevil eminentní zájem.
3. Pohonná jednotka
Sestava jednotky se skládá ze tří hlavních částí. Patří sem v prvé řadě elektromotor, dále měnič a převodovka.
Měnič
Energie z baterie proudí nejprve přes měnič. Jeho úlohou je konverze stejnosměrného proudu (DC) na vysokofrekvenční a vysokonapěťový střídavý proud (AC), který je následně odebírán motorem pro svou činnost. Funkci usměrňovače v případě Formule E hrají polovodičové technologie. Měnič má ve svém jádru desku s obvody, na níž jsou z jedné strany připojeny dva DC kabely (bateriové) a na druhé (výstupní) straně tři kabely AC (motorové). Ty procházejí přes sběrnici k polovodičovým spínačům, které jsou ovládány samostatnou logickou obvodovou deskou. Při přepínání dochází k převodu proudu ze stejnosměrného na střídavý. Mohlo by se zdát, že měnič bude vždy jen jeden. Se zvýšením napěťové soustavy ze 400V systému na 800V v rámci generační obměny, zvýšením frekvence a výkonu motoru vyžadují i měniče flexibilní přístup v oblasti použitých technologií. Mimo to vytváří proud procházející přes spínače značné množství tepla, míra uvolňovaného tepla opět závisí na výše uvedených parametrech. Faktorem se pak stávají i vlastnosti použitých materiálů spínačů a obvodových desek.
Dodavatelem měničů byl v první sezóně McLaren Applied Technologies. Používal silikonové spínače známé pod zkratkou IGBT. Ty mají svá omezení, jejichž práh byl opět překročen uvedením nových technologií. Nyní si mohou měniče vyvíjet samotné týmy, a tak inženýři přešli k takzvaným MOSFET spínačům. Tento typ zvládá přepínat i vysokofrekvenční proud, není tolik náchylný k přehřívání, a proto nepotřebuje sofistikovanější systém chlazení. Od 4. sezóny týmy přešly na SiC (silikon-karbid) spínače, které jsou zároveň menší a k chlazení jim stačí nasávaný vzduch. To v důsledku zmenšilo nasávací otvor na bočnicích a snížilo aerodynamický odpor auta. Do dneška se technologie používaná v FE vyvinula a i měniče disponují vlastním vodním chlazením. Většinou je spojeno s chladícím okruhem motoru.
Elektromotor
Klasický elektromotor, označován též jako kartáčový, se skládá z magnetického statoru, v jehož nitru se otáčí vinutá kotva. Vznikající elektrický proud se přenáší třením uhlíkovými kartáči o kontakty na rotující kotvě. Tato sestava ale není příliš efektivní. Moderní elektromotory proto převracejí princip fungování. Zatímco permanentní magnet se mění v rotor, statorem je vinutí tvořící tělo kolem něj. Cívky jsou tedy stacionární a nepotřebují uhlíkové kartáčky pro přenos energie. Tento typ elektromotorů se nazývá jako bezkartáčový. Motory pracují se střídavým proudem, proto je vyžadován měnič vytvářející 3 fáze AC. Při průchodu energie skrze cívky se hromadí teplo. K udržení vlastností je zapotřebí chlazení. Proces chlazení je na bezkartáčových motorech o to snazší, že cívky jsou stacionární. Kolem cívek je u těchto motorů vytvořen chladící plášť, do něhož je zavedena kapalina na bázi glykolu odvádějící teplo. Chlazení je zokruhováno a vybaveno čerpadlem, které tlačí kapalinu přes chladič. Systém zároveň slouží k chlazení měniče.
Dobrou vlastností elektromotoru je, že dokáže poskytnout maximální točivý moment už od nízkých otáček. Má to ale háček. Vyžaduje to hodně energie z baterie. V závodech je proto výhodnější motor držet ve vyšších otáčkách, kde točivý moment může být sice nižší než při nízkých otáčkách, ale účinnost motoru se zvyšuje. Každý motor má vlastní křivku účinnosti, která dává do vztahu točivý moment a spotřebu energie. Týmy na základě křivek stanovují provoz motoru v určitém rozsahu otáček, který je pro ně nejefektivnější. Jinak přistupují ke kvalifikaci a jinak poté k závodu.
Výkonové rozpětí motoru je v současnosti omezeno jeho rozměry. Pokud by se zvětšil průměr elektromotoru, došlo by k nárůstu rychlosti na magnetu, a tím i výkonu. Týmy mohou vyvíjet vlastní elektromotory, nicméně maximální výkon byl pro Gen3 stanoven na 350 kW. Logicky tak velikost byla upravena této hranici. Novinkou je použití dvojice motorů, kdy byl přidán elektromotor na přední nápravu. Rozložení výkonu je 350 kW na zadní nápravě a 250 kW na té přední. V důsledku tohoto přírůstku jsou formule schopny regenerovat velké množství energie při brzdění a zároveň je brzdný účinek natolik silný, že na zádní nápravě brzdy vůbec nejsou. Samotné rozměry elektromotorů jsou malé – v průměru mají mezi 20 až 30 cm a na délku měří 30 až 40 cm. Váha elektromotoru se pohybuje okolo 20–25 kg.
Působivým údajem je účinnost jednotky, kterou se v průběhu uplynulých 8 sezón podařilo dostat na úroveň 95 %. Jinými slovy, téměř všechna energie z baterie je spotřebována k původnímu záměru – tedy na přeměnu v kinetickou energii. Při srovnání s ultrapokročilými technologiemi, jaké jsou k vidění v F1, jde o číslo ještě zářivější. Mistrovský vůz Mercedesu v roce 2020 totiž dosahoval účinnosti pouhých 50 %, a to jen díky přítomnosti hybridní pohonné jednotky. Zbytek energie z paliva se nenávratně ztrácí. Nejčastěji v podobě tepla.
Převodovka
Všechny týmy měly v premiérové sezóně k dispozici totožný elektromotor od McLarenu. Neměli však k ruce křivku točivého momentu a účinnosti. Motory proto byly spojeny s vícerychlostní, 5stupňovou převodovkou. Počet rychlostních stupňů se se zvyšující účinností motorů postupně snižoval. Už čtvrtý ročník týmy použily jednostupňové převodovky. S postupným navyšováním otáček motoru se ovšem zvyšovala i rychlost otáčení kol, tudíž opět vznikla potřeba redukčních převodů. Typicky je výstupní hřídel elektromotoru připojena k diferenciálu skrze jeden/dva redukční převody. Počet závisí na velikosti koncového převodu diferenciálu. Některé týmy dávají přednost obrovskému převodu kolem diferenciálu a použití jednoho redukčního převodu, zatímco jiné upřednostňují menší převod na diferenciálu, ale dva redukční převody.
Otevřený vývoj v této oblasti se zaměřuje na snižování nejrůznějších druhů ztrát. Do detailu se řeší konstrukce zubů převodů, materiálové složení snižující tření, zkouší se různé typy ložisek a těsnění snižující tření apod. Celá převodová sada bývá osazena v samostatném hliníkovém boxu, který je tak izolovaný od vnějšího karbonového pláště. Ve spojitosti s převodovkou je důležité zmínit, že jelikož elektromotory nemohou běžet ve volnoběžném režimu (při odstavení motoru od proudu se přestane točit), není potřeba spojka. Piloti závodí s takzvaným nastavením twist-and-go.
4. Brzdový systém
Komplexní brzdový systém pro třetí generaci aut je součástí balíčku oficiálního dodavatele, kterým nemůže být nikdo jiný než společnost Brembo. Systém je to unikátní, neboť zahrnuje dva ovládací pedály. Jeden je klasicky na podlaze auta, druhý je pádlem pod volantem a slouží k zesílení regenerativního účinku. Oba pedály mohou být použity nezávisle na sobě. V určitých fázích brzdění se používají i společně, a to zejména v závislosti na konfiguraci trati. Samotné brzdy se skládají z kotoučů, destiček, třmenů a dvoukomorového brzdového válce. Klíčové komponenty jsou z karbonu.
Podkladem pro návrh byly požadavky hlavního konstruktéra, tedy Spark Racing Technology. Ten kladl důraz zejména na nízkou hmotnost systému, ale i schopnost účinného fungování při velkém rozsahu teplot. Hospodárný étos Formule E zase velí volit materiál nepodléhající přílišnému opotřebování. Brembo proto poskytuje třmeny z oxidované hliníkové slitiny. Jedná se o speciální technologii, kterou si společnost nechala patentovat. Zákazníkům toto řešení nabízí velkou úsporu hmotnosti a zvýšenou tuhost. Třmeny váží pouze okolo 1,5 kg. Brzdové kotouče a destičky jsou z čistého karbonu. Jedna brzdová sada vydrží 4 až 5 závodů.
Vzhledem k aktivitám společnosti Brembo, které se prolínají napříč závodními sériemi, F1 nevyjímaje, máme možnost porovnat brzdové systémy obou formulových šampionátů. Níže nabízíme tabulkový přehled.
| Parametry brzdového systému | Formule E | Formule 1 | |
|---|---|---|---|
| Přední kotouč | |||
| Materiál | karbon | karbon | |
| Průměr | 278 mm | 278 mm | |
| Síla kotouče | 24 mm | 32 mm | |
| Počet ventilačních otvorů | 70 (6,2 mm/otvor) | až 1 480 (2,5 mm/otvor) | |
| Zadní kotouč | |||
| Materiál | – | karbon | |
| Průměr | – | 266 mm | |
| Síla kotouče | – | 28 až 32 mm | |
| Počet ventilačních otvorů | – | až 1 050 (2,5 mm/otvor) | |
| Přední třmeny | |||
| Materiál | oxidovaná slitina hliníku | poniklovaná slitina hliníku | |
| Počet pístů | 4 (30 až 36 mm průměr) | 6 (30 až 38 mm průměr) | |
| Hmotnost | 1,2 kg | 2,0 kg | |
| Zadní třmeny | |||
| Materiál | – | poniklovaná slitina hliníku | |
| Počet pístů | – | 6 (28-34 mm průměr) | |
| Hmotnost | – | 2,0 kg | |
| Brzdové destičky vpředu | |||
| Materiál | karbon | karbon | |
| Síla destiček | 18 mm | 22 mm | |
| Brzdové destičky vzadu | |||
| Materiál | – | karbon | |
| Síla destiček | – | 17 mm | |
| Teplotní rozsah | 400 až 800 °C | více jak 1 200 °C |
Začátkem sezóny 2018/19, tedy s uvedením Gen2, byl představen rovněž takzvaný systém brake-by-wire (BBW). Jeho implementace do brzdového systému používaného ve Formuli E byla pouze otázkou času. V principu jde o změnu ovládacího mechanismu brzd, nebo i čehokoliv jiného co nese název by-wire. Dříve běžnou mechanicky přenášenou sílu stlačení pedálu nahradil elektrický kabel s potenciometrem, který hlídá polohu brzdového pedálu a do řídící jednotky následně předává informaci o požadované brzdné síle přepočtené právě na základě pozice pedálu. Bez tohoto systému měli jezdci k dispozici rozdílný brzdný účinek na přední i zadní nápravě s elektromotorem, který energii zároveň regeneroval. Míru regenerace mohl pilot nastavit na volantu, nicméně špatné nastavení také mohlo znamenat zablokování kol nebo přetáčivý smyk. Nynější situace je jiná. Jezdec stlačuje pedál jako obvykle, ale na základě dat od BBW počítač vypočítává, kolik energie vůz ztratí regenerací a kolik má dále ztratit účinkem brzdění.
5. Pneumatiky a zavěšení kol
Oficiálním dodavatelem pneumatik pro Formuli E je nově firma Hankook, která vystřídala Michelin. Dle regulí je používán pouze jeden typ pneumatiky – přechodná guma s dezénem. Vedení série takto nastavilo rovné závodní podmínky pro všechny, zároveň udržuje finanční vitalitu týmů i sebe sama. Alokační limit pro jednotlivé závodní víkendy je v 9. sezóně 4 přední a 4 zadní pneumatiky. Od shakedownu po cílovou pásku závodu smí tým nasadit tedy pouze 2 sady gum. Pokud jde o dvojitý závod, mají účastníci k dispozici sadu navíc.
Zavěšení kol je obestřeno mnoha regulemi tak, aby bylo co možná nejjednodušší. Modifikace uchycení předních kol je úplně zakázána. Změna v nastavení se může týkat pouze tlumičů. Zavěšení zadních kol je naopak s ohledem na volný vývoj pohonných ústrojí povoleno upravovat. Může se zdát, že se jedná o nepříliš důležitý detail, avšak ve srovnání s F1 má zavěšení kol mnohem dominantnější roli s přímým důsledkem na výkonnostní křivku. To je dáno městským charakterem tratí, které bývají hodně zvlněné a hrbolaté. Vertikální dynamika je proto klíčem k úspěchu při udržení kol na dráze. Nesmírně důležitá je tato oblast také z pohledu najíždění do zatáček, respektive pozdějšího začátku fáze brzdění. Piloti se navíc nemohou spolehnout na žádné posilovače brzd či řízení (ve voze Formule E není žádná hydraulika). Dalším důvodem, proč zavěšení má tak důležitou úlohu, je, že není povolen vývoj aerodynamických částí auta.
Mimořádně náročná je práce inženýra a pilota při hledání optimálního nastavení mechanických částí auta. I kvůli tomu si týmy střeží přesnou specifikaci zavěšení jako poklad a snaží se využít nejjemnějších detailů ve svůj prospěch.
