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在Formula E（国际纯电动街道赛车系列赛）发展初期，由于赛车电池无法为整场比赛提供足够的电能，车手必须在比赛中途更换赛车。如今，经过多年的技术创新，一辆Formula E赛车不仅能够完成全程比赛，还能输出更强劲的动力，并通过再生制动系统以数百千瓦的功率回收能量。
这一进步仅在短短12年内便得以实现，其背后离不开工程师们对车辆各部分性能的持续挖掘与优化。对于当今新一代Formula E赛车而言，直观的解释或许是电池性能的提升，因为自Formula E赛事创立以来，电池技术已经取得了长足发展。然而，从早期比赛中途更换赛车，到如今高性能电动赛车能够完成全程比赛，这一演变过程实际上源于对车辆几乎所有关键子系统的重新设计与优化，包括控制电机动力输出的逆变器、冷却系统、变速箱以及再生制动系统等。
许多在Formula E中开发和完善的技术已走出赛车领域。在过去的十年里，Formula E一直是电动汽车 (EV) 技术的试验场。这些技术的应用加速了电力电子、电机设计、传感、充电和能源管理领域的创新[1]。其中部分技术仅用于比赛，但另有一些技术则是在赛道条件下经过优化和验证后，被应用于商用电动汽车。
Formula E的发展不仅提升了赛车性能，更成为推动电动交通技术创新的重要平台，展示了未来电动出行的发展方向。
01、效率之争
Formula E的发展始终围绕着两个目标展开：在降低能耗的同时，让电动赛车跑得更快。然而这两个目标并非总能完美兼顾。
这两个目标决定了锦标赛的发展方向。虽然过去十年间电池技术取得了长足进步，但Formula E许多重大的技术成就，其实源于优化了电池输出后能量在车辆内部的传输效率。
DS Penske车队副领队Phil Charles表示：“在赛事创办初期的四个赛季里，车手必须通过中途换车才能完成比赛（图3）。随着第二代赛车的问世，即使赛车功率和能耗进一步提升，车手仍可凭借单辆赛车和单套电池跑完全程[2]。”
除了有助于实现单车配置的电池化学性能改进外，工程师们还减少了整个动力传动系统的能耗，提高了能量回收效率，改善了热管理，并调整了控制动力传输至车轮的系统。
今天的Formula E赛车不仅功率高于前代车型，能源利用效率也更高。这些改进凝聚了多年来的研发成果，涉及逆变器、电机发电机组 (MGU)、冷却系统、动力传动系统以及再生制动系统等多个方面。
02、成就现代Formula E赛车的技术突破
Formula E赛车的一项重大技术进步来自动力总成逆变器的创新。逆变器将电池的直流电转换为电机所需的交流电，因此成为决定动力总成效率的关键部件。
Charles指出：“Formula E赛车一直处于行业前沿，在动力总成逆变器中率先采用并推动了碳化硅作为开关基板材料的早期应用与开发。”
碳化硅 (SiC) 器件的开关速度和效率均优于传统硅器件。因此，SiC器件在降低功率损耗的同时，还能提升整体系统性能。自Formula E诞生以来，SiC技术已从一项新兴技术发展成为许多现代电动汽车动力总成的关键组件。
但据Charles称，性能和效率的提升不仅仅取决于半导体器件。
他说：“不断改进的栅极驱动器和更先进的模数信号调理组件，使Formula E车队能够成倍提高开关速度以提升逆变器效率，并促进了更精准的控制以及谐波抑制。”
更快的开关速度也带来了额外的挑战，即增加了整车的电磁噪声。工程师们不得不持续改进电磁干扰 (EMI) 防护设计。
Charles补充道：“此后，工程团队仿佛陷入了一场‘打地鼠‘游戏，不断追踪并解决各种因噪声干扰导致的芯片功能异常问题。初期这些问题仅限于逆变器内部，后来则逐渐蔓延至整车电子系统。”
随着电力电子技术的发展，MGU也取得了其他进展，特别是通过改进绕组设计，使得定子中可以容纳更多的铜。增加铜用量减少了电损耗并提高了效率。这一改进看似微小，但Formula E的技术进步正是建立在数十个这样的小改进之上，所有这些改进共同促成了整体性能的提升。
电机和电力电子技术的进步也改善了动力传动系统的设计。在发展初期，部分车队使用双盘式电机，并配备拥有两挡或三挡的变速箱。然而，随着效率不断提升，对多挡位的需求逐渐消失。
Charles表示，随着MGU效率-转速曲线趋于平坦，内燃机车型常用的多挡位设计逐渐被取消。
这一变化使得齿轮几何形状和齿轮周围的气流分布得到了更大的优化。
随着车队不断挖掘电机性能潜力，热管理逐渐成为另一个关键技术关注点。
Charles说：“显著的冷却改进使得MGU转子可以使用性能更强但工作范围更窄的稀土钕磁铁。”
钕磁铁产生的磁场与电机的定子相互作用以产生扭矩。更强的磁铁可以提高功率密度，但对温度更敏感。冷却系统的改进实现了更精准的温度控制，从而能够充分发挥高性能电机设计的优势。
温度管理在整车性能中的重要性日益提升，其作用已不仅仅是防止部件过热。
Charles指出，需要根据所选组件的特性找到平衡点，并在比赛中优先将对性能影响大的关键部件维持在适合大工作温度范围内。
平衡这些因素会影响冷却系统的重量、散热器尺寸、空气动力学阻力和布局设计。如今，这些因素同样影响着商用电动汽车的设计，因为热管理关系到充电速度、效率、动力输出以及电池的长期运行状况。
所有的效率提升都减少了散热需求，从而实现了更小的泵、更少的管路、共享的冷却系统以及更紧凑的封装。电容器技术的进步使得逆变器设计得以小型化。结果是，驱动系统变得更轻、更紧凑，性能也更强。
03、让每一瓦特发挥价值
自2014年以来实施的硬件改进解决了许多挑战，但车队仍需摸索如何在整场比赛中高效利用可用能量。
在传统赛车运动中，加油可以补充消耗的能量，但Formula E车队必须在固定的能源预算内运作。车手每次加速、制动或进行超车动作，都会影响比赛结束时剩余的能量。
确定有效的能量使用方式，从数学角度看似乎很简单。工程师可以计算出加速时应消耗多少能量、制动时应回收多少能量，进而确定单圈时间与能耗之间的理想平衡点。
Charles解释道：“我们会生成一张单圈时间与能量目标之间的性能边界图，并在其上叠加热循环修正值。”
但比赛并不总是遵循这一理想模型，因为跟车时气动阻力会发生变化，超车需要消耗更多能量，而车流和碰撞也会不断改变能量方程。
Charles表示，一旦进入比赛，情况就会变得复杂得多。前车带来的尾流效应能够降低空气阻力，让你以更高车速进行制动；而当前方车辆发生碰撞或相互超越时，又可能迫使你减速。在这种情况下，赛前设定的“线性理想比赛”模型往往会被彻底打破。
这些挑战使得能源管理成为Formula E锦标赛的关键环节之一。其中一项重要工具就是再生制动。再生制动能在车辆减速时将动能转化为电能，并将其回充至电池。与传统制动系统中能量以热量形式散失不同，车辆会回收这些能量并留待后续使用。
在Formula E发展史上，再生制动不断拓展着赛车的性能极限。
Charles指出，第三代赛车引入了前桥动力系统，使车辆在制动时能够通过前后两个车轴回收能量。
这增加了比赛期间可回充至电池的能量总量。但后置动力总成的效率依然更高，因为各车队对其进行了自主研发，而前置单元则是标准化部件。
车队还必须考虑轮胎的局限性。Charles解释说，轮胎一旦离开地面，就无法提供大量的再生制动扭矩；同样，如果要求轮胎在横向加速车辆转向的同时，又在纵向为车辆减速，它的表现也会大打折扣。
可施加的再生制动强度取决于轮胎抓地力、重量转移、转向角以及车辆平衡状态。在确保稳定性和性能的同时，还必须合理管理前后轴之间回收能量的分配。
Charles认为，这意味着车队需要优化能量回收的制动力矩分配策略，在车辆制动时前移的载荷以及后轮垂直载荷减小的情况下，动态调整前后轴的能量回收比例，同时兼顾车手的转向操作。
能量回收的重要性将在第四代车辆中得到充分体现，该车型将于2026年12月开启的第13赛季首次亮相。第四代赛车将展示显著的性能提升，将制动功率从600kW提高到700kW，并将排位赛/攻击模式下的峰值牵引功率从350kW提高到600kW，同时具备全时四轮驱动系统[3]。
再生制动能力跃升至700kW，充分表明在固定的能量预算内，能量回收对极大限度提升电动方程式赛车性能的重要性。
04、从Formula E到量产电动汽车
过去十年间，许多助力提升Formula E赛车性能的技术也影响了商用电动汽车的发展。
Charles认为，许多电子创新技术都是在Formula E中率先推出或得到验证。
据Charles介绍，这些创新包括SiC电力电子设备、电容器技术、逆变器组件、开关器件、处理器技术、栅极驱动电路、电流检测技术以及现代电动传动系统中使用的其他电子设备。MGU的改进、变速箱的开发以及低粘度变速箱润滑油等技术，也已被应用于量产车辆中。
除了动力总成部件外，Formula E的测试场地还为其他技术提供了启示。在第三代赛车时代，Formula E取消了后轴的液压制动器，在保留前制动系统的同时，依靠能量回收制动来实现后轴减速。此举减轻了重量并提高了能量回收率，但也要求工程师开发出轻量化的备用系统，以便在电子系统发生故障时仍能保持安全的制动性能。
Charles说到：“从更长远的角度来看，Formula E积累的经验和技术成果，或将催生全新的车辆减速方案，从而减少对大型液压备用制动系统的依赖。”
尽管传统制动系统在当今道路车辆中仍不可或缺，但Formula E所取得的技术成果表明，再生制动未来有望在车辆架构中发挥更重要的作用。提高能量回收效率有助于提升车辆能效、减轻组件重量，并可能减少释放到环境中的制动磨损颗粒量。
05、未来发展
从2014年那些需要在比赛中途换车的Formula E赛车，到将于2026年登场的第四代赛车，这12年的发展历程凝聚了工程师们对每一瓦能量极致利用的不懈追求。如今，这些创新成果正持续推动道路电动车技术进步，也证明了Formula E的价值早已超越竞技本身。
参考资料
[1]https://evmagazine.com/technology/formula-e-shaping-future-electric-cars
[2] Phil Charles, interview by Nicolette Emmino, June 2026
[3] https://fiaformulae.com/en/news/755451/the-history-of-formula-e-s-race-cars-gen1-2-3-to-gen3-evo-and-gen4
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