飛輪動能回收系統

動能回收系統是FIA在F1賽車上使用的一項新技術，英文縮寫KERS.原理是：通過技術手段將車身制動能量存儲起來，並在賽車加速過程中將其作為輔助動力釋放利用。

基本介紹

• 中文名：動能回收系統
• 外文名：Kinetic Energy Recovery Systems
• 類別：一項新技術
• 簡稱：KERS

定義

動能回收系統，英文縮寫KERS.

KERS

KERS是動能回收系統(Kinetic Energy Recovery Systems)的英文縮寫。其基礎原理是：通過技術手段將車身制動能量存儲起來，並在賽車加速過程中將其作為輔助動力釋放利用！具體的使用方法可能模仿A1的加速按鈕來實現。

F1引入

很多人認為F1引入KERS的是FIA為增加超車機會-提高比賽興奮度，壓制引擎研發-控制成本飈升而採取的一時之舉，這是完全錯誤的！

電池-電機動能回收系統示意圖

全世界的汽車工業都面臨著產業發展與保護環境這對矛盾。能源問題，二氧化碳排放，早已不再是時髦的話題，而是就擺著面前，並需要立即動手解決的問題。德國出台了每公里二氧化碳排放量不得超過120克的指標，這一指標如果成為法規，將意味著大排量發動機不再有發展前途。與此同時，有的城市甚至計畫只允許在市中心使用混合動力車，這意味著廠商在開發產品時，必須保證他們的車型可以選裝混合動力系統。通過這兩例，我們可以看到高效率的環保技術對於汽車工業的發展有多迫切。時下，雖然各大製造商從未達成過任何共識，但已基本形成了默認的發展思路：先從混合動力入手，然後向氫動力或純電力過渡。只有這樣，汽車工業才可能有未來。

此時，以高科技著稱、位居汽車運動金字塔尖的F1，如果無視這一社會趨勢，必將面臨被淘汰的危險。FIA主席馬克思-莫斯利曾在2006年說過： “世界的趨勢正在發生改變，你將看到最明顯的是關於全球變暖問題。在世界每一個地方，都有非常突出的民意運動。如果現在我們不改革，我們將錯過這一趨勢，F1將變得落後，並最終死亡。”

也許有人會認為莫斯利的話是在危言聳聽，但F1的現狀就是下面這樣：2.4升V8引擎的百公里油耗高達49KG，19000轉的極限轉速對於民用引擎沒有任何參考意義，耗資建1個1:1的風洞開銷大於5000萬歐元，不計全年24小時運轉的成本，一站一改的空氣動力學套件實用價值是零……。

飛輪動能回收系統

很顯然，F1的技術發展方向，是完全與社會脫節的，而且隨著能源和環境問題的加劇，它正在與社會發展方向背道而馳。過去，F1被稱為汽車工業的試驗田，先進民用技術的發源地；而隨著技術發展趨勢的變化，它的這項功能已越來越弱！在這種情況下，改革勢在必行，而且刻不容緩。因為沒有任何有社會責任的人，會對採用“過時”技術、大幅浪費能源、危害環境的運動頂禮膜拜！

KERS正是F1順應這一社會趨勢，保持先進性邁出的第一步。

規則限制

為了鼓勵、推動KERS技術的發展，FIA給予了車隊充足的發揮空間。發布的2009版F1技術規則中，國際汽聯只對KERS幾項技術指標做了規定，其餘所有環節都是開放的。按照莫斯利的說法，KERS的發展幾乎不受限。下文便是新規則中僅有的約束條款：

1，KERS系統的最大輸出和輸入功率不得超過60KW，每圈的能量釋放總量不得超過400KJ。(規則原文5.2.3)

2 賽車在進站加油的過程中，不得向KERS的系統增加能量存儲。(規則原文5.2.4)

3 賽車引擎、變速箱、離合器、差速器和KERS以及所有的相關激活機構，必須由FIA指定的ECU供應商提供的ECU控制(即麥拿輪提供的標準ECU)。(規則原文8.2.1)

現版09款規則對KERS的限制僅此而已！

優缺點

在FIA寬鬆的規則框架下，存在兩種技術原理的KERS系統正在研發當中：飛輪動能回收系統和電池-電機動能回收系統。下面，我們將從研發背景、技術原理、參數指標和方案優缺點四個方面對其進行詳細介紹。首先講已經面世的“飛輪動能回收系統”。

研發背景

這是雷諾將採用的技術方案，威廉士打算購買！2007年年初，受到雷諾汽車公司的支持，雷諾F1車隊的兩位工程師喬恩-希爾頓和道格-克羅斯離開總部恩斯托(enstone)專門在銀石組建了一家名叫“Flybrid Systems LLP”的公司。在這裡，Flybrid是兩個英語單詞飛輪(flywheel)和混合動力(hybrid)的組合詞，我們將其譯為“飛輪混合動力系統公司”【註：下文統一簡稱為FB公司】。該公司在2007年年中開發出了一套高效率的飛輪動能回收系統。

技術原理

飛輪動能回收系統的原理其實非常簡單。兒時玩過回力玩具車的朋友知道，當我們通過向後滾動車輪讓蓄能結構(一般為彈簧或橡皮筋結構)積蓄勢能後，再將車放在地上，積蓄的勢能便能讓車快速行駛起來。FB公司的動能回收方案，正是採用的這種基礎原理【注意：是基礎原理，即從動能－＞勢能－＞動能的轉化過程】。但其具體的工作過程肯定要複雜許多，要知道這是時速超過300公里的F1賽車。下面讓我們一起看其實際構造：

FB公司提供的系統原理圖。它總共由：一套高轉速飛輪、兩套固定傳動比齒輪組、一台CVT(無級變速箱)和一套離合器構成(離合器2)，其中無級變速箱由技術合作夥伴Torotrak公司提供，另一家公司Xtrac負責傳動系統製造。系統工作過程如下：

當賽車在制動的過程中，車身動能會通過無級變速箱傳入飛輪，此時處於真空盒中的飛輪被驅動、高速旋轉積蓄能量。而當賽車在出彎時，飛輪積蓄的能量則通過無級變速箱反向釋放【註：這裡指的反向指能量的流向，而非飛輪旋轉方向】，並在主變速箱的輸出端和引擎動力匯合後，作為推動力傳遞給後軸。整套系統結構簡單緊湊，由寫入SECU(標準ECU)的配套程式進行控制。在外形上，可根據用戶需求，做針對性調整。也就是說可以具有不同的外形選擇！

技術難點

眾所周知，對於F1賽車來講每一公斤的質量都是有用的。為了達到儘可能高的能量密度比(註：飛輪動能回收系統的這項指標已經很高)，使系統對賽車的配重影響降至最低，採用飛輪動能回收方案需要將蓄能主體飛輪做的儘可能的小，但這又如何滿足能量存儲指標呢？

FB公司採用的解決方案是提高轉速。他們試製品飛輪轉速已達到64500轉/分，這是一個近乎瘋狂的數字。但此時新問題又出現了，因為高轉速意味著系統會產生巨大的熱量和面臨巨大的風阻損耗。

方案優缺點

希爾頓和克羅斯最終決定將飛輪包裝在一個真空盒內部，按照該公司的說法，內部氣壓可達1x10-7帕。這到底是一個怎樣的概念呢？喬恩-希爾頓表示，這相當於一個氣體分子需要運行45KM才能和另外一個相遇。不過想的到還得做得到，將飛輪置身真空盒的確可以解決生熱和風阻損耗的問題，但如何防止軸承在(向飛輪)輸入和輸出動力的過程中，氣密性不被破壞呢？新的難題再次誕生！在現有技術下，電轉換是種可選方案，但能量損失太嚴重。結果這兩位工程師還是找到了解決之道，他們發明了創新的軸密封技術，現已申請專利。

變速器

由來

前不久曾說過，FIA有意實施新的F1規則，主要目的是減少賽車對環境的影響，並降低成本，使賽車技術對現實世界更有價值。其中一項要求就是將減速能量存下來用於加速，使出彎後加速更為凌厲，或者“尾隨-甩出-超車”式的進攻更容易得手。第一個商業化的產品已在開發中，Xtrac獲得了Torotrak的專利授權，將利用後者的圓環曲面傳動方案，開發高效、緊湊、速比連續可變的傳動裝置，在F1賽車上實現動能回收的構想。而且我們也很容易預見，它會出現在普通的道路車輛上。

形狀

所謂圓環曲面在這裡就是指圓環內圈的表面形狀，你可以想像出一個多納圈，用砂子把它中央的孔塞實，之後你如果有本事把多納圈吃乾淨，那么剩下的砂型就是圓環曲面了。是不是象個沙漏瓶的小腰？在這個細腰的中間截開，就是Torotrak變速器的核心——兩個尖對尖的轉盤，其中一個當動力輸入用，另一個別無選擇，就只好用來輸出了。

光靠兩個尖頂著肯定是傳遞不了動力的，更別提變速了。於是在轉盤之間還安置了兩到三個滾輪。兩個轉盤對向夾緊，就會夾住這些滾輪，輸入轉盤轉動時，會帶著滾輪轉，輸出轉盤自然也跟著轉起來。看得出，力是通過滾動摩擦傳遞的。那么怎樣實現變速呢？只要讓滾輪的軸線擺動起來就行了。開始時滾輪的一邊頂著輸入轉盤半徑較大的位置，另一邊按在輸出轉盤靠近尖頂的地方，就是低檔。隨著滾輪的擺動，速比便會越來越小，而且，這個變化是連續的，即CVT。市場上常見的CVT是皮帶輪+帶或鏈條的式樣，與之相比，這種圓環曲面變速器的效率更好，而且能傳遞更大的扭矩，Torotrak的演示車就是輛Ford的SUV，擁有475Nm扭矩的5.4升V8發動機充分證明了這種傳動方案的負載能力。Torotrak還為變速器取名IVT，即infinitely variable transmission，以示區別。

發展史

還記得Atkinson循環嗎？很多人類發明都要在歷史長河裡經世累代地潛水，才能修成正果，圓環曲面變速器也是如此。早在1877年，Charles Hunt就申請到了專利，而直到1920年代，經Frank Hayes改進之後才推向市場，在1930年前後安裝到Austin 7上。Perbury公司在1960～1980年代期間對其繼續完善，成果甚至打動了軍方——在著名的鷂式戰機上用來帶動一台25千瓦的發電機，雖然扭力不是很大，但轉速特高，從7000到17000rpm。1986年BTG集團接手相關業務，又過了十幾年，掌握這項技術的部門脫離了BTG，才有了今天的Torotrak。

原理

當今材料的發展使這種變速機構日臻完善。理論上，轉盤和滾輪是緊緊地貼在一起的，這樣才能產生摩擦力，但事實上它們並沒有真的接觸，這要歸功於一種特別開發的長分子鏈摩擦液。這種液體在壓力之下粘度也會大漲，不但能傳遞摩擦力，還能形成0.05至0.4微米的液膜，將轉盤和滾輪隔開。要形成如此薄的膜，肯定也離不了精密的加工技術和精良的鋼材。給Torotrak加工轉盤、滾輪的是光洋精工（初和豐田工機合併，名字叫JTEKT），它的當家產品就是滾珠軸承。無獨有偶，日本精工NSK也為Jatco加工類似的部件，不用說也知道NSK是乾什麼的。Jatco為日產製造的Extroid被稱為半圓環曲面變速器，說白了就是曲面的圓弧短了點，速比變化範圍只有4.36，不得不藉助液力變扭器滋補一下扭力，但也不是說它無縛雞之力，只要車子一動起來，變扭器就能立即鎖住，無需再勞動了。相比之下Torotrak的底氣要衝一些，它的演示機型速比跨度已經達到了6.05，所以才敢號稱“無限可變”。

典型的圓環曲面變速器由兩組機構串列而成，這樣傳遞的扭力可以加倍，而尺寸也不會比一般的齒輪式變速箱更大。由於滾輪被禁錮在圓環曲面內，其轉軸用不著承受任何負載。轉盤受液壓驅動沿軸向夾緊，而夾緊力度則由電控裝置根據傳遞扭矩的大小來調節。

特點

Torotrak完整的IVT變速器中，不僅有一個圓環曲面變速機構，還有一套行星齒輪。低速的時候，發動機一方面直接連到行星架，另一方面通過圓環曲面變速機構驅動太陽輪，從而實現從前進到倒車的速度連續變化，中間當然有完全停止的狀態，因此稱它速比無限可變。換言之，理論上其輸出扭矩也可以變到無限大，控制系統通過控制速比就能克服很棘手的障礙，另一方面，速比的改變在曲軸僅轉過半圈的瞬間裡就能完成，所以不用擔心因突然過載而損壞發動機或傳動機構。只是這種狀態下，按照美國CAFE工況測算，平均動力損耗超過19%，故而只用於倒車和起步。車速提高后，行星架被脫開，太陽輪和外齒圈被鎖在一起，動力完全通過環形曲面變速機構傳遞。

再回到動能回收上來，圓環曲面裝置本身肯定不能吸收、存儲和釋放動能，幹這活兒的是一個飛輪。Torotrak的變速裝置也沒有取代常規的多檔齒輪式變速器，它的角色其實是連線飛輪和變速器的橋樑，通過調節速比，讓動能以最優的方式在兩者之間來回走動，而不是完全通過剎車盤散失掉。這種模式不但結構緊湊——Torotrak相信商業化的變速單元會輕於5公斤，而且其能量傳遞效率甚至高過90%，明顯優於電機-蓄電池模式。F1對尺寸和重量的要求都非常嚴苛，如果成功的話，普及到其它領域就是輕而易舉的事。

Xtrac將只提供變速單元，飛輪部分還要各車隊自行開發（所以是虛的），Torotrak可以提供控制程式方面的專家意見。