動(dòng)能回收系統(tǒng)

KERS動(dòng)能回收系統(tǒng)報(bào)告人：1040106217梁斯翀1040106212黃重杰KERS動(dòng)能回收系統(tǒng)KERS是動(dòng)能回收系統(tǒng)(KineticEnergyRecoverySystems)的英文縮寫(xiě)?；A(chǔ)原理是：通過(guò)技術(shù)手段將車(chē)身制動(dòng)能量存儲(chǔ)起來(lái)，并在需要時(shí)把能量釋放出來(lái)。按照歐洲最新的汽車(chē)監(jiān)測(cè)工況，有KERS系統(tǒng)后，相同工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間能減少一半。具體的使用方法可能模仿A1的加速按鈕來(lái)實(shí)現(xiàn)。KERS產(chǎn)生的背景全世界的汽車(chē)工業(yè)都面臨著產(chǎn)業(yè)發(fā)展與保護(hù)環(huán)境這對(duì)矛盾。能源問(wèn)題，二氧化碳排放，早已不再是時(shí)髦的話(huà)題，而是就擺著面前，并需要立即動(dòng)手解決的問(wèn)題。德國(guó)出臺(tái)了每公里二氧化碳排放量不得超過(guò)120克的指標(biāo)，這一指標(biāo)如果成為法規(guī)，將意味著大排量發(fā)動(dòng)機(jī)不再有發(fā)展前途。與此同時(shí)，有的城市甚至計(jì)劃只允許在市中心使用混合動(dòng)力車(chē)，這意味著廠(chǎng)商在開(kāi)發(fā)產(chǎn)品時(shí)，必須保證他們的車(chē)型可以選裝混合動(dòng)力系統(tǒng)。通過(guò)這兩例，我們可以看到高效率的環(huán)保技術(shù)對(duì)于汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展有多迫切。時(shí)下，雖然各大制造商從未達(dá)成過(guò)任何共識(shí)，但已基本形成了默認(rèn)的發(fā)展思路：先從混合動(dòng)力入手，然后向氫動(dòng)力或純電力過(guò)渡。只有這樣，汽車(chē)工業(yè)才可能有未來(lái)。三種基本類(lèi)型的KERS系統(tǒng)1.電池-電機(jī)動(dòng)能回收(或油電混合動(dòng)力)系統(tǒng)2.機(jī)械飛輪動(dòng)能回收系統(tǒng)3.電驅(qū)飛輪動(dòng)能回收系統(tǒng)技術(shù)難點(diǎn)1：電池的技術(shù)瓶頸

大多數(shù)油電混合動(dòng)力車(chē)型仍然是采用的鎳氫電池，這種電池雖然技術(shù)成熟，但是弱點(diǎn)也非常明顯，那就是能量密度和功率密度低。豐田普瑞斯的電池為保證使用壽命，充電幅度不能大于80%各大汽車(chē)廠(chǎng)商都將目光轉(zhuǎn)向了鋰電池。誠(chéng)然，鋰電池已經(jīng)在我們的生活中的得到廣泛應(yīng)用(鋰電池最早應(yīng)用于軍事領(lǐng)域)，比如手機(jī)、筆記本；但是到目前為止，還沒(méi)有哪一家汽車(chē)廠(chǎng)商在混合動(dòng)力系統(tǒng)上，有過(guò)大批量使用的經(jīng)驗(yàn)。a，鋰電池第一個(gè)需要解決的問(wèn)題是，如何簡(jiǎn)化管理的問(wèn)題。為了滿(mǎn)足汽車(chē)行駛的需求，鋰電池需要采取蓄電池組的形式進(jìn)行鏈接以獲得更高的電壓。但因鋰電池允許的放電電壓幅度區(qū)間小，因此必須對(duì)電壓進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)控?？珊玩嚉潆姵夭煌氖?，它不能進(jìn)行統(tǒng)一管理，而是需要對(duì)每個(gè)電池進(jìn)行單獨(dú)監(jiān)控，這是一個(gè)和成本以及系統(tǒng)復(fù)雜程度直接相關(guān)的問(wèn)題。找到理想解決之道尚需時(shí)日。b，鋰電池的第二個(gè)技術(shù)瓶頸是對(duì)電化學(xué)過(guò)程的溫度很敏感，必須在25～40度之間才能發(fā)揮最大作用。溫差大于5度不僅會(huì)影響其性能，還會(huì)縮短壽命。民用車(chē)上，工程師拿出的解決方案是專(zhuān)設(shè)一個(gè)水循環(huán)來(lái)保持電池的工作穩(wěn)定，但如此一來(lái)就增加了電池的重量。這對(duì)于在質(zhì)量能量比上，本來(lái)就處于劣勢(shì)的電池-電機(jī)動(dòng)能回收系統(tǒng)(相對(duì)于飛輪動(dòng)能回收系統(tǒng))無(wú)異于雪上加霜。技術(shù)難點(diǎn)2：安全問(wèn)題1自燃危險(xiǎn)：鋰離子電池本身是很不安全的，如果溫度過(guò)高，比如當(dāng)充電過(guò)量時(shí)，將導(dǎo)致電池內(nèi)混合材料自燃。2高電壓：為了提高輸出功率，往往會(huì)采用高壓手段，例如豐田引以為傲的第二代普瑞斯電池電壓達(dá)到273.6伏3安放位置：電池到底應(yīng)該放在什么地方合適？首先為了保持電池不出現(xiàn)泄漏，各隊(duì)都決定采用能承受高能量沖擊的外殼作“外包”，第二，為了盡可能的避免它在撞擊中受到擠壓，很多車(chē)隊(duì)計(jì)劃將其安置在油箱底部邊緣。即便是在民用車(chē)上，油電混合動(dòng)力系統(tǒng)的仍面臨著減肥問(wèn)題，這個(gè)問(wèn)題依舊出在電池上，上面我們談到本田IMA系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)程度的確和飛輪動(dòng)能回收系統(tǒng)不相上下，但那是沒(méi)有包含電池以及其管理系統(tǒng)的。須知豐田第二代普瑞斯電池重達(dá)53.3公斤。縱然使用高能量密度的鋰電池能有效的降低系統(tǒng)質(zhì)量，但寶馬的KERS系統(tǒng)即便是樂(lè)觀(guān)估計(jì)也將達(dá)到40公斤，而FB公司的飛輪動(dòng)能回收系統(tǒng)只有24公斤左右。因此如何實(shí)現(xiàn)“科學(xué)減肥”，是決定電池-電機(jī)動(dòng)能回收系統(tǒng)用于F1賽車(chē)、相較飛輪動(dòng)能回收系統(tǒng)是否具有競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵！技術(shù)難點(diǎn)3：如何實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量功率比、能量比

技術(shù)原理：通過(guò)電池存儲(chǔ)并釋放能量(寶馬稱(chēng)自己的系統(tǒng)類(lèi)似將用于X6的ActiveHybrid，即雙模式混合動(dòng)力)最大功率：60KW(FIA規(guī)定上限)最大扭矩：>180牛米(預(yù)計(jì))最大能儲(chǔ)：400千焦系統(tǒng)總重：<40KG(預(yù)計(jì))系統(tǒng)效率：35-45%電池-電機(jī)動(dòng)能回收系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)

1.優(yōu)點(diǎn)：扭矩輸出大、能量釋放便于控制、技術(shù)成熟(不包含新電池技術(shù))。2.弱點(diǎn)：即便是最先進(jìn)的鋰電池，其能量密度和功率密度也是相對(duì)較低的，而且系統(tǒng)管理復(fù)雜，對(duì)溫度敏感，自重大，系統(tǒng)效率：35-45%。一.電池-電機(jī)動(dòng)能回收系統(tǒng)

電池-電機(jī)動(dòng)能回收系統(tǒng)的應(yīng)用：

豐田的普銳斯，本田的INSIGHT、雷克薩斯、大眾、福特等廠(chǎng)家的混合動(dòng)力車(chē)型上都裝有能量回收系統(tǒng)。奔馳S400混合動(dòng)力車(chē)配備的電池-電機(jī)能量系統(tǒng)中，以鋰電池作為存儲(chǔ)介質(zhì)。機(jī)械飛輪KERS系統(tǒng)基礎(chǔ)原理：動(dòng)能－>飛輪動(dòng)能—>動(dòng)能工作過(guò)程：當(dāng)汽車(chē)在制動(dòng)的過(guò)程中，車(chē)身動(dòng)能會(huì)通過(guò)無(wú)級(jí)變速箱傳入飛輪，此時(shí)與變速器相連的KERS飛輪被驅(qū)動(dòng)、高速旋轉(zhuǎn)積蓄能量。而當(dāng)需要時(shí)，飛輪積蓄的能量則通過(guò)無(wú)級(jí)變速箱釋放，并在主變速箱的輸出端在錐形齒輪上和引擎動(dòng)力匯合后，輸出到驅(qū)動(dòng)輪。由于該系統(tǒng)不需要像油電混合動(dòng)力那樣要先將制動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為電能，其能量轉(zhuǎn)換效率較高，可達(dá)65-70%實(shí)體構(gòu)造核心系統(tǒng)：飛輪飛輪：機(jī)械飛輪式KERS是靠飛輪的慣性?xún)?chǔ)存并釋放能量，因此要為了儲(chǔ)存足夠多的動(dòng)能，可以采取的辦法是增加飛輪的質(zhì)量或提高飛輪的轉(zhuǎn)速。儲(chǔ)能裝置的飛輪做太大顯然不現(xiàn)實(shí)，故機(jī)械KERS的飛輪一般體積小而轉(zhuǎn)速快。如沃爾沃的機(jī)械飛輪式KERS系統(tǒng)采用的碳纖維本體鋼制飛輪質(zhì)量只有6KG，直徑20cm，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)60000r/min以上。包容結(jié)構(gòu)：為了防止飛輪出現(xiàn)碎裂的情況，需要一個(gè)非常堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)來(lái)包容飛輪。氣密結(jié)構(gòu)：該裝置可以保持容器內(nèi)

1×10-7bar的真空度。軸承：軸承是飛輪系統(tǒng)的最大挑戰(zhàn)，困難在于潤(rùn)滑，因?yàn)樵谡婵罩惺遣荒苁褂脻?rùn)滑油潤(rùn)滑的。

無(wú)限變速模塊

由于飛輪轉(zhuǎn)速與車(chē)輪轉(zhuǎn)速相差過(guò)大，因此飛輪與車(chē)輪間需要一套超大速比的變速系統(tǒng)。市場(chǎng)上許多汽車(chē)安裝了無(wú)級(jí)變速器CVT，但這些變速器都是利用鋼帶和帶輪傳遞動(dòng)力和變速的，而機(jī)械飛輪式KERS系統(tǒng)的無(wú)級(jí)變速器是圓環(huán)曲面式的，簡(jiǎn)稱(chēng)IVT（infinitelyvariabletransmission）

無(wú)限變速式無(wú)極變速器。主要由輸入盤(pán)、輸出盤(pán)和滾輪構(gòu)成。輸入盤(pán)的動(dòng)力一般通過(guò)一個(gè)離合器連接KERS飛輪。輸出盤(pán)與行星齒輪式的輸出齒輪組相連。輸入盤(pán)與輸出盤(pán)利用液壓壓緊，并且壓緊力可以根據(jù)傳遞扭矩的大小而調(diào)整。輸入輸出盤(pán)間是2到3組滾輪，當(dāng)兩轉(zhuǎn)盤(pán)對(duì)向夾緊式，就會(huì)夾住這些滾輪，輸入盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)帶著滾輪轉(zhuǎn)，輸出盤(pán)自然也跟著轉(zhuǎn)起來(lái)。夾緊力度則由電控裝置根據(jù)傳遞扭矩的大小來(lái)調(diào)節(jié)。力是通過(guò)滾動(dòng)摩擦傳遞的，變速則通過(guò)讓滾輪的軸線(xiàn)擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)。由此可看出力是通過(guò)滾輪與轉(zhuǎn)盤(pán)間的滾動(dòng)摩擦傳遞的。IVT通過(guò)輸出盤(pán)上的齒輪與輸出齒輪組相連。輸出齒輪組

如圖所示，輸出齒輪組由兩根軸、四個(gè)齒輪和一個(gè)離合器構(gòu)成。于IVT相連接的傳動(dòng)軸上裝有一個(gè)車(chē)橋側(cè)離合器，當(dāng)不需要回收能量時(shí)，車(chē)橋側(cè)離合器斷開(kāi)，以減少發(fā)動(dòng)機(jī)的能量損失。另一根軸上的兩個(gè)減速齒輪一方面起到了增大傳動(dòng)比的作用，同時(shí)其中一個(gè)減速齒輪與車(chē)橋耦合齒輪相連接，以使得動(dòng)力能夠自由地在驅(qū)動(dòng)橋和飛輪之間來(lái)回傳遞。車(chē)橋耦合齒輪相當(dāng)于傳統(tǒng)車(chē)輛的主減速器從動(dòng)齒輪，但他的結(jié)構(gòu)很特殊，擁有兩個(gè)齒圈。一個(gè)是位于其外圓柱表面的斜齒圈，與KERS系統(tǒng)相連；另一個(gè)齒圈是于傳統(tǒng)汽車(chē)一樣的，位于其側(cè)面的螺旋齒輪，與變速器輸出軸的圓錐齒輪相連。當(dāng)汽車(chē)松開(kāi)油門(mén)或制動(dòng)時(shí)，電腦控制發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作，車(chē)輪的動(dòng)能通過(guò)差速器、車(chē)橋耦合齒輪、輸出齒輪組、IVT模塊進(jìn)入飛輪，飛輪高速旋轉(zhuǎn)儲(chǔ)存動(dòng)能，能量回收完畢后，斷開(kāi)車(chē)橋側(cè)離合器。當(dāng)需要時(shí)，電腦將車(chē)橋側(cè)離合器接合，飛輪儲(chǔ)存的動(dòng)能即反向釋放，其動(dòng)能與變速器傳來(lái)的動(dòng)力在車(chē)橋耦合齒輪上匯合后傳給車(chē)輪。

機(jī)械飛輪式KERS系統(tǒng)幾乎完全由傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)組成，僅用齒輪組、碳纖維飛輪、少量電控設(shè)備就實(shí)現(xiàn)了原本油電混合動(dòng)力系統(tǒng)中所需的電池組、電動(dòng)機(jī)、齒輪組、復(fù)雜電控設(shè)備這樣龐雜機(jī)構(gòu)的相同功能，并且可靠性、耐久性以及易維護(hù)性都更上一層樓。但這種技術(shù)儲(chǔ)存能量有限，盡管可以?xún)?chǔ)存數(shù)十甚至上百千瓦的能量，但扭矩過(guò)小，并且每次輸出能量時(shí)間很短，一般在10s以?xún)?nèi)，因此該系統(tǒng)只能為加速提供輔助，不可能實(shí)現(xiàn)純電動(dòng)行駛。控制系統(tǒng)：一套啟動(dòng)離合器與齒輪組負(fù)責(zé)動(dòng)能回收過(guò)程與釋放過(guò)程的適時(shí)切換。飛輪動(dòng)能回收系統(tǒng)也稱(chēng)離合器飛輪傳動(dòng)裝置CFTKERS（

ClutchedFlywheelTransmission）。工作過(guò)程：

CFTKERS中的三個(gè)不同齒數(shù)的齒輪之一會(huì)被主齒輪箱中的一組齒輪驅(qū)動(dòng)，在車(chē)輪與飛輪之間提供一系列不同的總傳動(dòng)比。電腦通過(guò)一套液壓裝置操控離合器的開(kāi)閉，可以無(wú)縫的實(shí)現(xiàn)從一個(gè)齒比轉(zhuǎn)到另一個(gè)齒比。機(jī)械飛輪的優(yōu)缺點(diǎn)1)功率相同，飛輪動(dòng)能回收系統(tǒng)的尺寸和重量只有電池-電機(jī)動(dòng)能回收系統(tǒng)的一半2)功率相同，造價(jià)只有電池-電動(dòng)回收系統(tǒng)系統(tǒng)的1/4，3)制造材料容易，易回收。

這種高轉(zhuǎn)速的產(chǎn)品(低轉(zhuǎn)速產(chǎn)品工程界早有使用)應(yīng)用極少，目前已知的弱點(diǎn)是：扭矩輸出小和能量存儲(chǔ)有限。另外技術(shù)欠成熟也是其弱點(diǎn)所在。

這類(lèi)機(jī)械式KERS系統(tǒng)普及仍需時(shí)日，但是我們有足夠的理由相信，未來(lái)的混合動(dòng)力，將不再會(huì)是油電混合獨(dú)霸的天下。

沃爾沃成功的將F1上的KERS技術(shù)應(yīng)用在了量產(chǎn)車(chē)型上。沃爾沃聲稱(chēng)，已經(jīng)能利用此技術(shù)，實(shí)現(xiàn)油耗降低20%，還可提供車(chē)輛80匹馬力，普通4缸發(fā)動(dòng)機(jī)更能獲得媲美6缸發(fā)動(dòng)機(jī)的加速感。制動(dòng)過(guò)程一開(kāi)始，驅(qū)動(dòng)前輪的發(fā)動(dòng)機(jī)立刻就停止工作。當(dāng)汽車(chē)再次起步時(shí)，飛輪積蓄的能量可用來(lái)給汽車(chē)加速，或者在汽車(chē)達(dá)到巡航速度后給汽車(chē)提供動(dòng)力。飛輪儲(chǔ)存的能量足夠?yàn)槠?chē)提供短時(shí)間的動(dòng)力，這樣就對(duì)降低燃油消耗起到很大的作用。計(jì)算表明，在新歐洲行駛循環(huán)測(cè)試條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)能夠在一半的行駛時(shí)間內(nèi)處于關(guān)機(jī)狀態(tài)。應(yīng)用實(shí)例：沃爾沃的FlywheelKERS電驅(qū)飛輪KERS系統(tǒng)儲(chǔ)能原理：電能—機(jī)械能—電能電驅(qū)飛輪KERS系統(tǒng)實(shí)際上就是用飛輪代替了電池。工作過(guò)程當(dāng)賽車(chē)在入彎制動(dòng)的過(guò)程中，后軸驅(qū)動(dòng)安裝在尾部發(fā)電機(jī)(這是一臺(tái)可在發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)之間相互切換的無(wú)刷電機(jī))旋轉(zhuǎn)，發(fā)電后將電輸入飛輪內(nèi)部的電機(jī)，接著電機(jī)驅(qū)動(dòng)處在真空中的飛輪旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能(相當(dāng)于化學(xué)電池的充電過(guò)程)。當(dāng)賽車(chē)通過(guò)彎心、全油門(mén)出彎時(shí)，飛輪內(nèi)部的電機(jī)立即切換到發(fā)電機(jī)模式，飛輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，將存儲(chǔ)的機(jī)械能通過(guò)電能的形式，把能量反向輸送給尾部的電機(jī)(相當(dāng)于電池的放電過(guò)程)。此時(shí)，尾部電機(jī)立即切換到電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，電能驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，其輸出的動(dòng)力與V8引擎的動(dòng)力匯聚后，傳遞給后軸。這便是是威廉姆斯的電驅(qū)飛輪KERS的整個(gè)工作過(guò)程。磁懸浮軸承代替一般軸承，用真空容器來(lái)承載飛輪電池，保持其工作環(huán)境的真空度等方法來(lái)減小軸承處的摩擦及空氣的阻力，以降低系統(tǒng)的能量損失。選擇不同的軸承，可以實(shí)現(xiàn)不同的轉(zhuǎn)速。威廉姆斯的系統(tǒng)最大理論轉(zhuǎn)速可以達(dá)到160000轉(zhuǎn)/分。

核心部件：飛輪電池電驅(qū)飛輪KERS的優(yōu)勢(shì)、發(fā)展前景采用電驅(qū)飛輪蓄能，相較于傳統(tǒng)的機(jī)械飛輪蓄能以及化學(xué)電池蓄能，有幾個(gè)非常重要的優(yōu)勢(shì)：第一，電驅(qū)飛輪不需要使用無(wú)極變速箱來(lái)實(shí)現(xiàn)能量向飛輪的輸入輸出，對(duì)降低系統(tǒng)質(zhì)量有重大意義；第二，向飛輪的能量輸入和輸入是通過(guò)電流的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此系統(tǒng)不需要面對(duì)機(jī)械傳輸那樣的密封問(wèn)題。第三，系統(tǒng)集成度低，飛輪電池的安裝位置幾乎不受限制第四，目前，世界上較為先進(jìn)的電驅(qū)飛輪，其凈效率已高達(dá)95%。第五，使用壽命長(zhǎng)、性能穩(wěn)定，當(dāng)然機(jī)械飛輪也有這個(gè)優(yōu)勢(shì)。前景：飛輪電池的概念一經(jīng)提出，便以其儲(chǔ)能密度高、體積小、質(zhì)量輕、充電快、壽命長(zhǎng)、無(wú)任何廢氣廢料污染等特點(diǎn)