Technická specifikace vozů Formule E

Technická specifikace vozů Formule E
Fotografie: Formule E

Jak funguje vůz Formule E? Co mohou týmy vyvíjet a co je naopak striktně zakázáno? Jaké jsou odlišnosti mezi různými generacemi aut? A co srovnání s vozy F1? To a mnohem více odhaluje článek zaměřený na technickou specifikaci elektrických formulí.

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 druhé generaci, formálně označované jako Gen2. Ta nahradila původní designovou generaci Gen1 používanou v úplných začátcích série mezi sezónami 2014/15 až 2017/18. Současná generace aut, též přezdívaných jako Batmobil, vstoupí v ročníku 2021/22 do své poslední sezóny. Poté ji nahradí ta s pořadovým číslem 3. Cyklické omlazování tedy 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 obou již uvedených generací a zároveň si udělat obrázek o chystané novince Gen3.

Gen 1 (2014-18)* Gen 2 (2018-22) Gen3 (2022-??)**
Délka 5 000 mm 5 160 mm ?
Šířka 1 780 mm 1 770 mm ?
Výška 1 050 mm 1 050 mm ?
Rozchod kol vpředu 1 528 mm 1 553 mm ?
Rozchod kol vzadu 1 492 mm 1 505 mm ?
Rozvor kol 3 100 mm 3 100 mm ?
Výška podlahy max. 75 mm max. 75 mm ?
Min. váha (vč. jezdce) 883 (baterie 320) kg 903 (baterie 385) kg ?
Počet elektromotorů 1 (vzadu) 1 (vzadu) 2 (vpředu i vzadu)
Kapacita baterie 28 kWh 54 kWh 51 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 320 kW
Max. regenerativní výkon 150 kW 250 kW 600 kW
Max. rychlost 225 km/h 280km/h 320 km/h
Zrychlení 0-100 km/h 3,0 s 2,8 s ?

* Některé parametry se v průběhu sezón měnily, srovnání zahrnuje hodnoty ze sezóny 2017/18
** Oficiální představení proběhne na jaře 2022
** Nelze dohledat nabíjecí výkon

Hlavním technickým úkolem pro konstruktéry při návrhu Gen2 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. Snižovat účinek nepříjemných turbulencí vznikajících za druhou formulí v tomto kontextu pomáhá částečná kapotáž předních a zadních kol. Auta proto mohou připomínat závodní speciály Le Mans. 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 přibližně do středu auta. 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.


Baterie vozů Formule E se stejně jako baterie již dnes konvenčních elektroaut skládají z mnoha dílčích bateriových článků. Baterie aut specifikace Gen2 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 54 kWh.

To je dvojnásobek výkonu, než měla starší baterie Gen1. Vozy Gen2 proto bez problémů absolvují celou délku závodu vyměřenou časovým limitem 45 minut bez nutnosti dobíjení nebo výměny auta. 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 385 kg. Takto výrazné navýšení kapacity v rámci jedné generační výměny má i své vysvětlení. Tehdejší dodavatel, jímž byl Williams Advanced Engineering, pro první sezónu dostal jen omezený čas na vývoj, a tak zkrátka přistoupil k požadavku po svém. Použil baterie váčkového typu velikosti vycpané obálky A4 od společnosti Xalt. Dílčích modulů bylo pouze pět. Výhodou řešení s plochými články je 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, má baterie samostatný řídící systém označovaný jako BMS. Ten monitoruje míru napětí, teplotu i stav nabití každého jednotlivého článku. Pokud se teplota článků zvýší, BMS varuje řídící jednotku, aby omezila výstupní výkon. V krajním případě, jako poslední bezpečnostní opatření, řídící jednotka dává příkaz k přerušení chodu motoru. Tímto je zabezpečena ochrana bateriových článků proti jejich nezvratnému poškození.

Nynější baterie, které vyvíjí a dodává McLaren v kooperaci se specialisty z firmy Atieva, používají články Murata. Mohlo by se zdát, že technologický pokrok mezi generacemi je evidentní. Nicméně nejedná 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 jsou kvůli malému válcovému tvaru radikálně odlišné od řešení Williamsu. Použity byly vlnité chladící pláty pro povrchové chlazení článků. Moduly, v nichž jsou články uspořádány, na sobě mají chladící zařízení v principu podobné chladiči v autě a dále nesou manifold s elektrickými sběrnicemi pro připojení. Všechny moduly mají 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.

Pohonná jednotka Audi
Technické řešení pohonného ústrojí Audi pro sezónu 20/21

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 Gen2 stanoven na 250 kW. Logicky tak velikost byla upravena této hranici. Používán je stále jen jeden motor na zadní nápravě. Jeho rozměry jsou malé – v průměru má mezi 20 až 30 cm a na délku měří 30 až 40 cm. Váha elektromotoru se pohybuje okolo 20 kg.

Působivým údajem je účinnost jednotky, kterou se v průběhu uplynulých 7 sezón podařilo dostat na úroveň 97 %. 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 druhou 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 přední i zadní 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 vpředu váží pouze 1,2 kg, zatímco vzadu 1,0 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 karbon
Průměr 263 mm 266 mm
Síla kotouče 20 mm 28 až 32 mm
Počet ventilačních otvorů 90 (4,2 mm/otvor) 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 oxidovaná slitina hliníku poniklovaná slitina hliníku
Počet pístů 4 (26-28 mm průměr) 6 (28-34 mm průměr)
Hmotnost 1,0 kg 2,0 kg
Brzdové destičky vpředu
Materiál karbon karbon
Síla destiček 18 mm 22 mm
Brzdové destičky vzadu
Materiál karbon karbon
Síla destiček 16 mm 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. Následně spíná pouze zadní brzdy, aby brzdné síly s těmi vpředu systém vyrovnal.

5. Pneumatiky a zavěšení kol

Oficiálním dodavatelem pneumatik pro Formuli E je dlouhodobě firma 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 se v 8. sezóně vrací na 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.

Přední zavěšení vozu Formule E
Systém zavěšení BMW

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.

Související články
Diskuze ke článku
V diskuzi zatím nejsou žádné příspěvky. Přidejte svůj názor jako první.
Přidat názor

Nejživější diskuze