挑战油电混动 机械飞轮式KERS动能回收系统解析

2011-07-15 20:34:06来源: 网易汽车 

  作为汽车最前沿技术的演练场——F1方程式赛车一直备受关注,广大车主、车迷们当中也不乏F1的忠实粉丝,随着F1方程式赛车在中国的家喻户晓,电视解说中一些对于赛车新技术的新名词也成了大家热议的话题。虽说F1方程式赛车是一项不计成本的追求速度的竞赛项目,但是在重重压力下,近些年来也有着不少“环保举措”,最明显的就是发动机缸数越来越少、排量越来越小,同时还要保持动力性能不受影响。

  在既要环保又要动力的双重压力下,“KERS”技术作为F1最先应用的“混合动力”技术,也在电视转播中几乎成了提及率最高的词汇之一。但是千万不要认为,KERS技术距离现实就非常遥远,这不,近日沃尔沃成功的将F1上的KERS技术应用在了量产车型上,值得一提的是,技术合作方正是同时为F1车队提供技术支持的公司。

  通过与Torotrak与Flybrid System公司通力合作,沃尔沃声称,已经能利用此技术,实现油耗降低20%,同时普通4缸发动机更能获得媲美6缸发动机的加速感。说到这里,可能有人会问,这不就是动能回收+混合动力吗?其实这KERS系统可以界定为混合动力技术,但是沃尔沃与F1所使用的这套KERS系统却是基于机械结构实现的,并不同于以往的通过制动卡钳处回收制动时的动能。“机械”二字,意味着什么呢?相比较复杂的电子能量转化系统来说,“机械”就意味着更可靠、更廉价、更易普及,当然也意味着结构偏臃肿……在瑞典能源局的657万克朗的巨额赞助扶持下,这个新一代动能回收技术前景一派光明。那么这种机械式KERS动能回收系统,究竟怎样运作的呢?

60000rpm

  这套KERS系统放置在后轴上,惯性飞轮是其最明显的特征。在减速过程中,制动力能够令飞轮高速旋转,甚至达到60000rpm的超高速!60000rpm转速是一个什么概念?简单理解,某些发动机的极限转速也就是6000rpm上下,再乘以10倍呢?因此制动回收的能量迅速转化成飞轮的惯性动能,当车子开始继续加速前进时,飞轮的惯性又能通过特殊设计的传动机构传回车轮,这样就形成了动能回收和释放的完整循环。


  现如今先进的ECU技术可以轻易令发动机可以在制动时熄火,在需要时重新点火介入,而飞轮储存的惯性动能也能够在需要时同发动机动力联合释放,或者保留到巡航速度下再持续的释放。按照欧洲最新的汽车监测工况设计,有了KERS系统之后,相同的工况下,发动机工作时间能够减少近一半的时间,这也就意味着发动机能够大幅减少油耗。大家有没有注意到,飞轮KERS系统并不需要以往混合动力车型往往依赖的硕大笨重的电池组?


  正因为惯性飞轮只能在制动的片刻回收能量,那么飞轮收集能量的过程将是非常有限的,飞轮KERS技术的挑战就在于如何有效地管理好日常行驶中不断重复的走走停停,充分利用好这些高间歇性但持久发生的制动。换句话说,制动越多,就越省油,这与普通油电混合动力车的外部特性相仿。

  高转速飞轮储存的能量如果集中释放,大概能够为动力系统提供额外的80马力瞬时功率,这几乎已经相当于增加了一台1.2L左右的普通汽油机了。因此有了飞轮KERS系统的车在加速性能上往往都非常突出,这也是F1方程式赛车对KERS系统钟爱有加的原因之一。

碳纤维是轻量与紧凑的解决之道

  既然提到是惯性飞轮,我们小时候可能都见过那种惯性小车,在地上反复蹭几下车轮,轮子就能高速旋转,这时将小车放在地上,小车就会嗖的一声跑出去好远。笔者更是曾经为了探究小车加速的原理,拆掉了许多心爱的玩具。这类玩具往往是借助巨大的金属飞轮,非常厚重,几乎占据了玩具自重的90%以上,才能储存足够多的动能。

  飞轮KERS系统的原理大同小异,只是实现起来不可能用那样不切实际的做法,毕竟在乘用车上,保证足够的轻量化与小型化,才可能让这种技术得到普及应用。借助先进的材料科技,相同的原理完全可以通过碳纤维材料的应用去实现。沃尔沃的飞轮KERS系统使用的碳纤维飞轮重量只有6kg,直径20cm。如此紧凑的体积和轻巧的身段,也足以说明为什么需要60000rpm的超高转速才能积蓄足够多能量。同时为了降低飞轮高速旋转时产生的空气摩擦阻力,飞轮又被套在一个真空容器中,真是煞费苦心。

局部CVT传动的应用

  说完了动力的储存原理,动力的储存和释放又是怎样演绎的呢?通过前面的介绍我们已经知道,飞轮的超高转速显然与车轮转速不是一个量级的,无论是谁驱动谁,都需要一个超大速比的变速机构才行。在现有的汽车结构上找变速机构简直是太容易了,因此工程师设计了一套环型牵引机构与行星齿轮组结构搞定了超大速比的问题,这其实是一套CVT无极变速传动系统,但是却不同于我们传统意义上所理解的钢带式CVT变速器。总之,结果就是这套CVT传动系统让低速的车轮可以驱动超高速飞轮储存惯性能量,也能够在需要的时候,从惯性飞轮中输出能量到驱动轮上。

  整个过程由一套启动离合器与齿轮组负责动能回收过程与释放过程的适时切换。这样以来,一套几乎完全由传统机械结构组成的飞轮KERS动能回收系统,仅用齿轮组、碳纤维飞轮、少量电控设备就实现了原本油电混合动力系统中所需的电池组、电动机、齿轮组、复杂电控设备这样庞杂机构的相同功能,并且可靠性、耐久性以及易维护性都更上一层楼。

  这类机械式KERS系统普及仍需时日,但是我们有足够的理由相信,未来的“混合动力”,将不再会是油电混合独霸的天下。

 

关键字:KERS  动能回收系统

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/qcdz/2011/0715/article_4023.html
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