对话中：吉姆·爱德华兹
改变电机的规格
Helix的首席工程师吉姆·爱德华兹正在运用赛车技术来降低电气化应用所需的尺寸与重量。威尔·格雷将对此进行进一步探讨。
在电气化领域，电池技术常被视为最具发展潜力的方向。近几十年来，电池技术的进步显而易见，电动汽车的续航里程逐年提升——但吉姆·爱德华兹认为电机技术同样发挥着重要作用，尤其是在高性能和重型应用领域。在经历了漫长的电气化发展历程后，他的一些重大成就或许即将出现。
爱德华兹开始其职业生涯时，汽车电气化还远未成为主流趋势，但他从一开始就关注环境问题。1994年，他在福特公司获得第一份工作后，便通过分析驾驶循环来降低Escort和Mondeo涡轮柴油发动机的实际排放量。之后，当他转到米尔布鲁克测试场工作时，他为沃克斯豪尔公司优化了20多种LPG和CNG双燃料车型，随后又参与了英国伦敦首辆混合动力公交车的研发，从而迈出了进入电动汽车领域的第一步。
那个项目始于2003年，当时该市的重点从减少NOx排放转向了减少CO2排放。客户最初开发的是一种燃气轮机巴士——它在降低NOx排放方面表现优异，但在减少CO2排放方面效果不佳。因此，为应对这一优先级的变化，他们找到了爱德华兹及其同事，带来了已有的增程式电池电动汽车设计方案，并委托他们优化其运行性能。
“我参与了混合动力系统的校准工作，研究了总线架构与驱动循环，并找出可在哪些方面优化其运行性能，以便在实际应用中发挥最佳效果，”他解释道。“我们建立了伦敦公交运行循环的模型，通过分析车辆的惯性与阻力，能够预测电机的功率需求，进而确定如何最有效地操控发动机与电池系统——通过能量回收而非完全充电来让车辆在下坡时继续获得动力，同时尽可能频繁地关闭发动机以减少怠速排放。这是一个‘首创’的系统，我们实现的每名乘客对应公交车的二氧化碳排放量比基准值低了30%。”
氢能的发展
爱德华兹在米尔布鲁克的下一个项目仍是公交车，但这次采用了氢燃料电池。他的工作包括安装氢燃料供应设施，并在变温排放试验室（VTEC）中测试这些公交车。爱德华兹回忆道：“该试验室配有可移动的测试道路和大型空气循环系统，能够容纳多达三辆双层公交车，并在零下40度到零上50度的温度范围内对它们进行测试。公交车车顶上有几个长3米的氢气储罐，我们深知如果其中一个泄压阀在像VTEC这样的封闭空间内泄漏，后果将极其严重。因此，我们安装了大量氢气传感器，确保所有气体都能被引导至排放系统。虽然发生这种情况的概率极低，但我们绝不能承担这样的风险。”
那次与氢能相关的经历让爱德华兹关注到了Intelligent Energy公司，当时该公司正在燃料电池领域开展多项研发工作，从为铃木的踏板车配备风冷型燃料电池组，到制造功率仅为5瓦特的氢能手机充电器。爱德华兹回忆道：“那个充电器确实很不错，但遗憾的是并未取得成功。”鉴于他的汽车行业背景，爱德华兹将重点放在了乘用车用燃料电池系统的研发上。
“我们使用了100千瓦的功率，配备两套燃料电池组，这些电池组通过专有技术进行蒸发冷却，”他解释道。“该系统将液态水转化为细雾，这些雾气会蒸发并吸收热量，随后以气体形式排出。这种方式大大提升了功率密度，我们将该系统应用在一家欧洲高端汽车制造商生产的车辆上。大约在同一时间，我们还为2012年伦敦奥运会运营了五辆氢动力出租车，负责接送贵宾前往奥运村。”
此后，该公司在无人机风冷系统领域取得了成功，而爱德华兹仍认为氢能在汽车能源结构中具有巨大潜力。“目前可用的备用燃料还不足以使其价格大幅降低，而且燃料电池堆需要贵金属，因此成本往往较高。但在那些拥有大量可再生能源且需要储存能源的地方，氢能是一种非常好的储存方式，”他说。“所以我认为它会在一些适用场景中得到应用——比如企业自有车队、铰接式卡车、火车；任何具有明确行驶周期且能够配套相应基础设施的场景。对于这些情况而言，它是一种非常理想的零碳排放解决方案。”
转向电动
爱德华兹的职业生涯随后转向纯电领域，他于2015年加入目前的雇主Helix公司。他担任首席工程师这一职责广泛的职位，负责多项工作，包括与客户沟通、进行技术协调、分析驱动循环，以及管理由电子、电气和机械设计师、科学家及车间技术人员组成的跨职能团队。“这是一个适合通才的职位，”他说道，同时解释了自己尽管在纯电技术方面经验不足却能担任如此高级职务的原因。
他的第一个管理岗位是与一款小型电动增压器——即电驱动超级充电器的研发相关。“这类产品传统上是由电动机连接到涡轮增压器压缩机上，转速可达约10万转/分钟，”他解释道，“难点在于在乘用车上需要高达10千瓦的功率。”
驱动它会产生两个问题——由于难以消除损耗，电机容易过热；而如果不会过热，电池也会因无法承受超过5到10分钟的高负荷而耗尽电量。
“为了解决这个问题，我们想出了一个非常巧妙的办法。我们设计了一种起动发电机，这样就可以通过前端附件驱动装置来转动并产生电能。接着，我们设计了用于驱动压缩机轮的电机，在其中加入了周转齿轮，并将另一部分结构与前端附件驱动装置上的滑轮相连，这样一来电机只需承担部分工作，因为其他动力可以直接从前端附件驱动装置获得。因此，电机需要做的工作量减少了。”
“另一点是，由于那里还有发电机，因此可以就地产生电力并直接输送到另一端的轮子上，这样就无需将其送入电池组。可以实时发电，而且通过改变速度就能关闭压缩机，因为它属于周转齿轮箱的一部分。这是个非常出色的解决方案，我们曾与Magna Power合作试图实现大规模应用——但最终因为汽车行业决定不再使用内燃机，这个方案才未能实现。”
e-booster项目的失败迫使爱德华兹转向纯电池驱动的项目，首个项目是为某电动赛车系列提供赛车引擎——尽管他仍不愿透露具体是哪项赛事。爱德华兹负责在已有设计的基础上进行生产管理与交付工作，该设计早已完成设计流程。完成后，他便着手开发堪称其最具代表性的产品之一：阿斯顿·马丁瓦尔基里。这款搭载1000马力V12引擎的超级跑车由阿德里安·纽维在仍效力于红牛车队时设计，旨在尽可能贴近F1赛车的性能表现——但若没有爱德华兹的参与，这款车根本无从诞生。
“我负责设计位于离合器与变速箱之间的电机，它用于启动发动机，”他解释道。“它还具备起步辅助功能；同时是发电机和交流发电机；它能实现倒车功能——因为主发动机变速箱没有倒挡——而且由于是直列式变速箱，它还能在换挡时实现转速匹配。此外，它还能让汽车仅依靠电力以低速行驶——最高可达约12公里/小时。”
这款电机仅有20公斤重，但功率却达120千瓦，且在其整个使用寿命期间都稳定地安装在V12发动机的末端。对于超跑而言，这确实是一个出色的解决方案！”
当时，汽车行业是Helix业务的核心领域，但随着时间推移，其客户群体已从最初的赛车和F1领域扩展到更广泛的范畴，涵盖了国防、海洋应用等多个行业。事实上，自Valkyrie项目之后，汽车业务在Helix的业务版图中的比重有所下降，越来越多的原始设备制造商开始自行开展电动汽车研发工作，但Helix依然保持着极高的工作强度，将那种源自赛车领域的先进思维应用到众多不同行业中。爱德华兹已晋升为首席工程师，他深受公司背景所带来的技术快速发展所激励。
“由于我们地处赛车运动与F1领域的核心地带，因此能够接触到所有那些具备卓越加工能力、并且有能力进行其他机构无法完成的‘假设性测试’的制造商，”他解释道。“此外，我们的团队中还有许多拥有赛车背景的人士——我们与F1车队之间存在着密切的联系——所以我们的核心优势就在于高性能领域，我认为这正是我们区别于其他企业的关键所在。”
“确实存在一种通过赛车运动加速技术发展，然后再将其应用到更常规的发动机上的趋势。例如，在我刚开始从事这项工作的时候，我们为赛车系列设计的第一个发动机，其持续输出功率约为100千瓦。但仅仅两年后，通过整合一些赛车技术，我们就制造出了在相同尺寸下能实现200千瓦持续输出功率的发动机。而现在，在同样的尺寸下，它的持续输出功率已经能达到400千瓦。因此，在许多人认为相对稳定的市场中，这项技术取得了巨大的进步。”
小巧轻便
爱德华兹在每个项目中的核心性能目标都完全相同：减小尺寸并减轻重量——这是赛车运动中最受重视的两个关键因素。“我们的背景来自对空间和重量要求极高的项目，因此这种理念早已融入我们的电机设计中，”他继续说道。“应用到火车这类场合时，只需降低所需的最高温度，从而延长某些绝缘材料的使用寿命，这样做出来的电机尺寸就能达到传统火车电机的十分之一或二十分之一。”
Helix公司开展的真正具有“开创性”的项目都由其实验性的“X部门”负责，爱德华兹将该部门的工作描述为“对可行之道的艺术探索”。这些研究成果进而应用于海洋、非公路车辆、国防及航空航天领域的核心技术中，从而打造出比以往更小巧却更强大的发动机。正因如此，爱德华兹及其同事致力于将发动机研发置于重要地位，因为在当前这个往往只把新型电池技术视为唯一发展机遇的行业中，这一点尤为重要。
“从效率的角度来看，关键在于尺寸和重量，”他总结道。“如果把空间用于安装电机，就无法用来放置电池或载荷——所有领域都是如此。在任何受尺寸和重量限制的场合，我们都能提供更好的解决方案。”
“这一点在较为特殊的海洋工程项目中尤为重要。在汽车上，功率与重量的比例很高，人们踩下油门时就会希望车辆迅速加速。而在海洋环境中，由于水体的粘性会产生巨大阻力，加速度相对较慢。因此，在公路车上可能只需踩住油门10秒后就会松开，将油门调至10%左右，但在海洋工程中则要一直保持全油门状态，甚至可能持续数小时。”
“那是一种完全不同的驱动方式，需要稍有不同的配置，因此在这一领域有很大的优化空间。我们为E1 Racing和Magic Carpet E进行过相关研发，后者是一艘出色的碳纤维帆船竞赛用艇，我们为其实现了全电动化设计，从而在比赛期间无需使用发电机。我们还为舷外机制造商、船尾驱动系统制造商、双体船厂商以及至少三个用于海上作业的国防项目提供产品。
“对于那些采用传统系统但希望提升性能或降低运行噪音的其他应用来说情况也是如此。这些场景都非常适合采用电动化方案，但往往没有足够的空间来安装额外的设备。因此，我们会为需要这类功能的客户提供相应的解决方案——而这在当前至关重要。”
“例如，我们为采矿车辆制造过不少原型部件。电气化带来的某些间接好处往往容易被忽视——比如可以减少驱动空气在矿井中流动所需的能量，同时避免使用可能形成爆炸性环境的易挥发燃料。而在建筑领域，许多车辆需要良好的视野，任何妨碍驾驶员观察车轮及铲斗周围情况的因素都会对操作人员造成极大危害。因此，随着发动机体积的增大以及后续处理技术的不断进步，我们可以通过安装小型电机来为这些车辆带来好处。”
“再比如航空航天领域，人们对运载火箭表现出极大兴趣，因为这类火箭在重量限制方面极为严格。这关乎效率与减重，毕竟载荷的重量直接影响成本。他们甚至能按每公斤为卫星定价，因此对减重问题极为重视，因为收费就是以公斤计算的。我们还在与喷气发动机制造商合作，通过在发动机运行的某些环节加入电力辅助来提升燃气轮机的效率，这样当发动机在某个区域工作时，就不会因其他区域的负荷而受到限制。归根结底，这些应用都需要尽量减轻重量，而这正是我们核心优势的体现。”
显然，所有行业在电动机发展方面都具有巨大的潜力——然而，中国近期在磁体许可方面的政策变化正可能给这一发展带来压力。但对爱德华兹而言，这反而提供了一个重新审视电动机设计理念的机会。“这在一定程度上会改变现有结构，因此未来的重点将是充分利用低磁体含量或无磁体设计以及不同的磁体材料，”他总结道，“这很可能会成为对电动机发展的下一个重要影响。”
“许多汽车制造商根本不使用磁铁，但这往往会导致电机体积变大，而他们能够承受这一点，因为成本降低了且空间充足。高性能车辆以及我之前提到的其他行业则没有这样的优势。因此，我认为这肯定会影响那些高端电机，但就如何解决这一问题而言，我们最终会通过不同的方式实现同样的效率并提升动力——我对此毫不怀疑！”
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