第三届电力电子科普作品创作大赛-三等奖

上海科技大学 刘冠江、诸葛英健、王浩宇

5月31日至6月1日，2025 ABB国际汽联电动方程式世界锦标赛（以下简称FE或Formula E）重返上海国际赛车场。此役是FE本赛季引入的最新款赛车Gen3 Evo首次登陆国内，高达350kW的最大输出功率、322km/h的最高时速、1.86s的零百加速时间，这一系列夸张的数据让全世界赛车迷都为之热血沸腾。

图1 Formula E上海站@上海国际赛车场

伴随着赛道上电动赛车穿梭疾驰，这项被誉为“汽车界最前沿实验室”的顶级赛事也为电动出行和电力电子技术带来了全新的突破。本赛季，与Gen 3 Evo赛车一起亮相FE比赛的还有Pit Boost进站快充环节，我们不仅见证了速度与激情的较量，更亲历了高压直流充电、电池热管理等前沿电力电子技术如何在极限条件下被实践与打磨。接下来，就让我们从本赛季令人瞩目的创新技术出发，聊聊FE背后的电力电子黑科技。

一、FE Pit Boost系统介绍

Pit Boost是FE在第11赛季引入的一项创新且强制性的赛中功能，主要应用于双连赛。其核心目的是通过在维修区为赛车提供10%的额外能量（相当于 3.85kWh）来增加比赛的竞争性和战略性。充电功率高达600kW，充电时间仅为30秒，整个维修站停留时间最短为34秒。车手必须在国际汽联预先确定的电池电量（SoC）窗口内（通常在40%到60%之间）进入维修区进行充电。这项技术由 Fortescue Zero 提供，彰显了其在推动电动出行技术边界方面的作用[1]。

图2 Formula E Pit Boost快充系统

这项技术的演进，其战略性是由其技术能力所驱动的。最初，Formula E 曾计划将其命名为“Attack Charge”，并与其“Attack Mode”功能结合。然而，Pit Boost 现在作为一项独立功能存在[2]。这种分离表明，充电系统的技术能力，特别是其可靠性和速度，已经发展到足以独立成为一项重要的比赛改变功能，而不仅仅是另一种模式的辅助。这种独立性为比赛策略增加了两个不同的决策层面，从而提升了比赛的复杂性和观赏性[3]。

此外，赛车运动在推动消费者接受电动汽车方面发挥着催化剂的作用。Formula E明确将自身定位为“赛道到公路”的技术平台。600kW 维修站充电的震撼视觉效果，远超消费者充电速度[4]，直接解决了电动汽车普及的主要顾虑之一：充电时间。通过在竞争激烈的赛车环境中展示这种极致能力，Formula E 不仅在开发技术，还在积极影响公众认知，并通过展示技术可行性来加速电动汽车的接受和普及[5]。赛道上性能的证明和视觉上的冲击力直接转化为消费者对电动汽车日常使用能力的更积极看法。

1. 高压直流系统

Pit Boost充电器系统工作在约900V的高压系统下。Gen3和Gen3 Evo Formula E赛车本身也采用了标称900V的架构，最大电压额定值为1000V。如果采用400V系统（如一些老式电动汽车），要实现600kW的功率，峰值电流将高达1500A，这将需要“巨大”的电缆。相比之下，900V系统在相同功率下显著降低了电流，从而减轻了电缆和连接器设计的挑战，使得组件可以更紧凑、更轻，并减少了I²R损耗（热量产生），提高了整体系统效率。这表明了电力电子学的一个基本原理：高功率传输需要高电压才能有效管理电流和损耗，这一趋势也已渗透到高性能消费级电动汽车中。

图3 国产800V架构电动汽车

2. 车载储能单元（ESU）

尽管官方未明确说明Fortescue Zero为Pit Boost提供的特定转换器，但其旗下高功率转换产品展示了Fortescue Zero在高密度功率转换方面的专业能力[8]。例如EBN3000和LUN700，二者都是双向非隔离式升降压直流-直流转换器，分别能够传输高达4.5MW和700kW的功率。

图4 Fortescue Zero EBN3000（左）及LUN700（右） buck-boost转换器

然而在赛车临时赛道上直接从电网抽取600kW的功率通常是不切实际或不可能的，因此Pit Boost系统在便携式充电设备中集成了车载储能单元（ESU）。ESU由“二次利用的电动汽车电池”组成，它允许系统在较长时间内从电网（或发电机）储存能量，然后在30秒的充电过程中迅速将其释放到赛车中。这相当于为赛车提供了一个“移动电源”。Fortescue Zero的便携式设备设计为每场比赛提供两次电池充电，这意味着ESU具有足够的容量来支持多次高功率放电。

将分布式储能作为一种不受电网限制的超快速充电解决方案，其意义重大。临时赛道上的电网限制问题是电动汽车大规模普及和超快速充电基础设施所面临的更广泛挑战的一个缩影。ESU解决方案不仅仅是赛车特有的权宜之计，它是一种高度可扩展和适应性强的现实世界应用模式。它允许在电网容量不足或电网升级成本高昂、耗时长的地区部署超快速充电器。这种“移动电源”方法将瞬时充电功率与电网的即时供电能力解耦，即使在偏远或服务不足的地区也能实现高功率充电。这对于全球电动汽车基础设施的扩展具有重要意义，特别是对于未来将普遍采用兆瓦级充电的重型工业应用。

二、FE赛车的电力电子架构

1. 功率转换技术

电动汽车动力单元的核心包括电机和逆变器等，逆变器负责在加速时将电池的直流电转换为交流电供给电机，并在动能回收时将再生能量的交流电转换回直流电充入电池[6]。在Formula E中，制造商被允许自行设计电机、逆变器、变速箱和后悬架，这促进了电力电子领域的创新[7]。

图5 Venturi车队所使用的迈凯伦120kW电机以及ROHM SiC 逆变器

2. 先进半导体器件

碳化硅（SiC）是Formula E逆变器中主要采用的半导体技术。与传统硅（Si）IGBT相比，其优势对于实现极致性能至关重要。SiC具有更低的开关损耗（与IGBT相比可降低高达75%）和传导损耗，从而减少功率耗散和热量浪费。这使得SiC器件能够在更高频率下运行，并处理更高的电压和电流，从而实现更小、更轻的逆变器设计。例如，Venturi车队使用全SiC模块的逆变器重量从15kg降至9kg[9]。此外，SiC能够在更高温度下运行（最高结温Tj,max可达150-175°C），并产生更少的热量，从而简化了冷却要求。SiC高效的功率转换带来了更高的扭矩和加速性能，主要供应商包括onsemi（梅赛德斯-EQ）、Wolfspeed（捷豹 TCS）和Hitachi ABB Power Grids等[10]。

图6 SiC相对与Si-IGBT具有更低的开关损耗

尽管SiC在主牵引逆变器中占据主导地位，但像BrightLoop Converters这样的公司在Formula E车队的直流-直流转换器中使用了氮化镓（GaN）功率半导体。这些转换器为低压电子设备（泵、照明、无线电）供电，并且比非GaN同类产品显著更小、更轻、更高效（体积和重量减少一半）[11]。GaN具有非常高的临界电场，有助于提高效率[12]。

  图7 捷豹TCS车队赛车，搭载Wolfspeed SiC器件

宽禁带半导体在推动电动汽车性能极限方面发挥着协同作用。研究资料清楚地界定了SiC和GaN的作用：SiC因其在高电压和大电流下的卓越效率、热性能和功率密度而被强调用于牵引逆变器等高功率应用,而同为宽禁带材料的GaN因其在低功率、高频辅助系统中的应用而闻名。这并非SiC和GaN之间的竞争，而是一种互补应用。SiC处理大功率，实现600kW的能量回收和高效的电机驱动，而GaN则优化了低功率、高频辅助系统的效率和小型化。这些宽禁带半导体共同为Formula E所需的极致功率密度、效率和减重提供了根本性的支持，预示着未来SiC和GaN将在消费级电动汽车中普遍存在，各自根据功率水平和频率要求发挥特定作用。

3. 电池管理系统和智能软件

充电器与赛车的电池管理系统（BMS）直接接口，确保充电周期符合电池电芯的安全协议。Fortescue Zero的“Elysia”电池智能软件是Pit Boost超快速充电技术中的关键组成部分。Elysia的主要功能包括优化充电速度，同时保护电池寿命和完整性。它使赛车电池能够实现约15C的极高充电倍率，意味着电池可以在1/15小时（即4分钟）内充满电，这突显了30秒充电的强度。Elysia将车载嵌入式BMS算法与强大的云产品相结合，为原始设备制造商（OEM）和车队运营商提供前所未有的电池健康洞察，支持电池保修确定性、残值计算和新的电池融资模式。

图8 Fortescue Zero “Elysia”电池智能软件

软件定义的电池性能是超快速充电的下一个前沿。尽管硬件（高电压、SiC）提供了原始功率，但Elysia软件被反复强调为“优化速度同时保持电池寿命和完整性”以及实现15C充电倍率的关键。这表明仅仅向电池施加高功率是不够的；需要智能软件来管理极端充电过程中复杂的电化学过程。这预示着电池设计正从纯粹的硬件中心转向“软件定义电池”的方法。这对于消费级电动汽车来说是一个关键的启示，因为它意味着未来的超快速充电将严重依赖于复杂的电池智能，以平衡速度、安全性与使用寿命，超越简单的恒流/恒压充电曲线。

三、极端充电下的电池技术与热管理

1. 赛车电池规格

Gen3赛车的标准化锂离子电池由Williams Advanced Engineering提供。Gen3电池的可用能量容量为38.5kWh，总容量约为51kWh。Pit Boost额外增加3.85kWh，占总容量的10%。电池组重约284 kg。下表列出了 Formula E Gen3/Gen3 Evo 赛车的关键电气规格：

表1 Formula E Gen3/Gen3 Evo 关键电气规格 1

在电池电芯化学方面的挑战与创新方面，电池设计是功率、续航里程和防火安全之间的权衡[13]。高能量密度材料如锂和镍（例如811型化学物质）在充电时会迅速升温并存在火灾风险，而钴和锰有助于延长循环寿命和温度管理。Gen3快速充电的最初引入曾因“测试中持续存在的电池问题”而延迟，WAE也指出新电池存在“高降解”问题，这表明在实现可靠的超快速充电方面存在重大挑战。研究中还提到了一种潜在的、未经证实的创新，即在电池化学中可能使用铝，它具有高能量密度和快速充电的特点，但传统上电池寿命较差（降解）。此外，超级电容器被提及有助于缓冲突然的能量涌入，防止电池电芯在充电过程中受损。

图9 Gen2 赛车及其电池包

电芯化学、系统架构和软件在缓解快速充电挑战方面的相互作用至关重要。实现 600kW 充电不仅仅取决于充电器，更根本地取决于电池接受如此高功率的能力。这不仅仅是选择合适的电芯；它关乎优化整个电池系统，从内部电芯化学和封装（例如软包电芯[14]）到外部缓冲组件（超级电容器）的集成，以及至关重要的由Elysia等软件提供的智能控制。这种整体方法对于在极端充电条件下平衡功率、能量密度、安全性与寿命之间的矛盾需求至关重要，这一挑战对于追求更长寿命的消费级电动汽车而言更为突出。

2. 先进热管理系统

鉴于极高的充电速度，有效的热管理对于防止过热、确保安全和延长电池寿命至关重要。Formula E电池（165个液冷软包电池）采用了液冷策略，其基本原理与量产电动汽车相似，但在温度阈值方面有显著差异[15]。量产电动汽车的目标工作温度约为29°C，而Formula E电池的电芯峰值可达57°C，之后BMS才会开始限制功率输出。这种更高的工作温度窗口允许更激进的性能表现。

图10 Formula E电池包液冷结构

充电器内部的专用液冷功率模块调节能量流，防止热失控。充电连接器本身也采用液冷技术，以确保充电电缆和电池在进行高功率传输时保持在最佳温度。整个系统还采用了介电冷却液回路，以防止过热并提高充电效率。散热器和冷却回路经过专门设计，即使在最炎热的比赛条件下也能应对产生的热量。在维修区，当赛车静止且缺乏气流时，技师会在侧箱前安装气泵和装有干冰的容器，以冷却电池和电机。Williams Advanced Engineering甚至申请了专利，开发出可以将电池产生的热量回收用于驾驶舱加热的冷却系统，展示了先进的热能回收技术。

图11 Formula E逆变器及电机液冷结构

从充电器的功率模块到电缆、连接器以及电池电芯本身。特定冷却剂的使用、先进冷却板的设计，甚至半导体（SiC）的选择，都是复杂热管理策略的组成部分。这表明，对于任何高功率电动汽车应用，热管理系统与电力电子组件本身一样关键，它决定了关键组件的性能、安全性和寿命。其“赛道到公路”的意义在于，消费级电动汽车将越来越多地采用更复杂、更集成的热管理解决方案，以实现更快的充电速度和更稳定的性能。

四、结语

Formula E明确将自身定位为“赛道到公路”的技术平台，通过在竞争激烈的环境中展示尖端创新，加速电动汽车的开发和普及。Pit Boost 不仅仅是一项体育赛事功能；它是一个活生生的实验室，展示了超快速充电在远超当前主流消费级产品功率水平下的可行性和可靠性。从FE中学到的经验，特别是在电力电子设计、热管理和智能电池控制方面的经验，可直接应用于更广泛的电动汽车市场和重工业。这种“赛道到公路”的理念通过解决充电时间限制和基础设施限制等关键挑战，加速了向电动出行的过渡，为未来在各种应用中实现快速、高效、可持续的电动汽车充电铺平了道路。

参考资料

1. FIA Formula E, " PIT BOOST EXPLAINED: All you need to know about Formula E's battery charging pit stops " (https://fiaformulae.com/en/news/747646).

2. e-Formula.news, "Pit Boost" (https://e-formula.news/pitboost).

3. EV Magazine, "PIT BOOST: Formula E's Game-Changing Race Innovation" (https://evmagazine.com/electric-cars/pit-boost-formula-e-game-changing-race-innovation).

4. Motoroids, "How the 600 kW Boost Charger Works in Formula E?" (https://www.motoroids.com/news/how-the-600-kw-boost-charger-works-in-formula-e/).

5. FIA Formula E, "Fortescue Zero becomes Official PIT BOOST Provider for Season 11 - Formula E" (https://www.fiaformulae.com/en/news/521337).

6. Power Electronics News, "SiC Technology for Power Inverter in Formula E" (https://www.powerelectronicsnews.com/sic-technology-for-power-inverter-in-formula-e-ebook/).

7. e-Formula.news, "Technology in Formula E" (https://e-formula.news/wiki/technology).

8. Fortescue, "EBN3000 - Fortescue - Zero" (https://zero.fortescue.com/en/products/power-conversion/ebn3000).

9. Planet Analog, "SiC power elements provide Formula E racing improvements for the new 2018 season" (https://www.planetanalog.com/sic-power-elements-provide-formula-e-racing-improvements-for-the-new-2018-season/).

10. Power Electronics News, "Formula E Racing Cars are at the Forefront of E-Mobility Innovation" (https://www.powerelectronicsnews.com/formula-e-racing-cars-are-at-the-forefront-of-e-mobility-innovation/).

11. GaN Systems, "BrightLoop Converters and GaN Systems Collaborate to Bring Disruptive Power Electronics to the Road Track and the Skies" (https://gansystems.com/newsroom/brightloop-converters-and-gan-systems-collaborate-power-electronics/).

12. iGan Power, "GaN Power HEMT Tutorial: GaN Basics" (https://iganpower.com/wp-content/uploads/2019/10/GaN-Power-Device-Tutorial-Part1-GaN-Basics.pdf).

13. Institut Seltene Erden, "Will the battery technology of tomorrow be used in Formula E today?" (https://en.institut-seltene-erden.de/wird-die-batterietechnik-von-morgen-bereits-heute-in-der-formel-e-eingesetzt/).

14. AWS, "DEVELOPMENT TESTING OF POWERTRAIN TECHNOLOGIES FOR FORMULA E" (https://intertek-cdn.s3.amazonaws.com/www-intertek-com/dms-legacy/Intertek%20Formula%20E%20WP%2021.pdf).

15. Car and Driver, "Explained: Battery Thermal Management in Formula E Race Cars" (https://www.caranddriver.com/news/a15344587/explained-battery-thermal-management-in-formula-e-race-cars/).

16. ROHM, " SiC POWER DEVICES" (https://fscdn.rohm.com/en/products/databook/catalog/common/SiC_PowerDevices_EN.pdf)

17. CAR Magazine, " In-depth: the Formula E powertrain explained" (https://www.carmagazine.co.uk/electric/formula-e-powertrain/)

18. FIA Formula E, " The history of Formula E's cutting edge race cars from GEN1-2-3 to GEN3 Evo" (https://fiaformulae.com/en/news/ 752197).

作者简介：

刘冠江，2023年于哈尔滨工业大学（深圳）获得电气工程及其自动化专业学士学位。目前，他正在上海科技大学信息科学与技术学院，电力电子与再生能源实验室，攻读电力电子方向硕士学位。他的研究兴趣包括高效率、高功率密度AC/DC变换器以及电动汽车单级式车载充电机。