动能回收系统

1、KERS动能回收系统报告人：1040106217 梁斯翀 1040106212 黄重杰KERS动能回收系统动能回收系统 KERS是动能回收系统(Kinetic Energy Recovery Systems)的英文缩写。 基础原理是：通过技术手段将车身制动能量存储起来，并在需要时把能量释放出来。按照欧洲最新的汽车监测工况，有KERS系统后，相同工况下，发动机工作时间能减少一半。具体的使用方法可能模仿A1的加速按钮来实现。KERS产生的背景全世界的汽车工业都面临着产业发展与保护环境这对矛盾。能源问题，二氧化碳排放，早已不再是时髦的话题，而是就摆着面前，并需要立即动手解决的问题。德国出台了每公里二

2、氧化碳排放量不得超过120克的指标，这一指标如果成为法规，将意味着大排量发动机不再有发展前途。与此同时，有的城市甚至计划只允许在市中心使用混合动力车，这意味着厂商在开发产品时，必须保证他们的车型可以选装混合动力系统。通过这两例，我们可以看到高效率的环保技术对于汽车工业的发展有多迫切。时下，虽然各大制造商从未达成过任何共识，但已基本形成了默认的发展思路：先从混合动力入手，然后向氢动力或纯电力过渡。只有这样，汽车工业才可能有未来。三种基本类型的三种基本类型的KERS系统系统1.电池-电机动能回收(或油电混合动力)系统2.机械飞轮动能回收系统3.电驱飞轮动能回收系统技术难点1：电池的技术瓶颈大多数油

3、电混合动力车型仍然是采用的镍氢电池，这种电池虽然技术成熟，但是弱点也非常明显，那就是能量密度和功率密度低。丰田普瑞斯的电池为保证使用寿命，充电幅度不能大于80%各大汽车厂商都将目光转向了锂电池。诚然，锂电池已经在我们的生活中的得到广泛应用(锂电池最早应用于军事领域)，比如手机、笔记本；但是到目前为止，还没有哪一家汽车厂商在混合动力系统上，有过大批量使用的经验。a，锂电池第一个需要解决的问题是，如何简化管理的问题。为了满足汽车行驶的需求，锂电池需要采取蓄电池组的形式进行链接以获得更高的电压。但因锂电池允许的放电电压幅度区间小，因此必须对电压进行严密监控。可和镍氢电池不同的是，它不能进行统一管理，

4、而是需要对每个电池进行单独监控，这是一个和成本以及系统复杂程度直接相关的问题。找到理想解决之道尚需时日。b，锂电池的第二个技术瓶颈是对电化学过程的温度很敏感，必须在2540度之间才能发挥最大作用。温差大于5度不仅会影响其性能，还会缩短寿命。民用车上，工程师拿出的解决方案是专设一个水循环来保持电池的工作稳定，但如此一来就增加了电池的重量。这对于在质量能量比上，本来就处于劣势的电池-电机动能回收系统(相对于飞轮动能回收系统)无异于雪上加霜。技术难点2：安全问题 1 自燃危险：锂离子电池本身是很不安全的，如果温度过高，比如当充电过量时，将导致电池内混合材料自燃。 2 高电压：为了提高输出功率，往往会

5、采用高压手段，例如丰田引以为傲的第二代普瑞斯电池电压达到273.6伏 3 安放位置：电池到底应该放在什么地方合适？首先为了保持电池不出现泄漏，各队都决定采用能承受高能量冲击的外壳作“外包”，第二，为了尽可能的避免它在撞击中受到挤压，很多车队计划将其安置在油箱底部边缘。即便是在民用车上，油电混合动力系统的仍面临着减肥问题，这个问题依旧出在电池上，上面我们谈到本田IMA系统，其结构精简程度的确和飞轮动能回收系统不相上下，但那是没有包含电池以及其管理系统的。须知丰田第二代普瑞斯电池重达53.3公斤。纵然使用高能量密度的锂电池能有效的降低系统质量，但宝马的KERS系统即便是乐观估计也将达到40公斤，而

6、FB公司的飞轮动能回收系统只有24公斤左右。因此如何实现“科学减肥”，是决定电池-电机动能回收系统用于F1赛车、相较飞轮动能回收系统是否具有竞争力的关键！技术难点3：如何实现高质量功率比、能量比 技术原理：通过电池存储并释放能量(宝马称自己的系统类似将用于X6的ActiveHybrid，即双模式混合动力)最大功率：60KW(FIA规定上限)最大扭矩：180牛米(预计)最大能储：400千焦系统总重： 飞轮动能飞轮动能动能动能工作过程：工作过程： 当当汽汽车在制动的过程中，车在制动的过程中，车身动能会通过无级变速车身动能会通过无级变速箱传入飞轮，此时箱传入飞轮，此时与变速与变速器相连的器相连的KE

7、RSKERS飞轮被驱动、飞轮被驱动、高速旋转积蓄能量。而当高速旋转积蓄能量。而当需要需要时，飞轮积蓄的能量时，飞轮积蓄的能量则通过无级变速箱释放，则通过无级变速箱释放，并在主变速箱的输出端在并在主变速箱的输出端在锥形齿轮上和引擎动力汇锥形齿轮上和引擎动力汇合后，合后，输出到驱动轮。由输出到驱动轮。由于该系统不需要像油电混于该系统不需要像油电混合动力那样要先将制动能合动力那样要先将制动能量转换为电能，其能量转量转换为电能，其能量转换效率较高，可达换效率较高，可达65-70%65-70%实体构造核心系统：飞轮核心系统：飞轮飞轮飞轮：机械飞机械飞轮轮式式KERSKERS是靠飞轮的惯性储存并释放是靠飞

8、轮的惯性储存并释放能量，因此要为了储存足够多的动能，可以采取能量，因此要为了储存足够多的动能，可以采取的办法是的办法是增加飞轮的质量增加飞轮的质量或或提高飞轮的转速提高飞轮的转速。储。储能装置的飞轮做太大显然不现实，故机械能装置的飞轮做太大显然不现实，故机械KERSKERS的的飞轮一般飞轮一般体积小而转速快体积小而转速快。如沃尔沃的机械飞轮。如沃尔沃的机械飞轮式式KERSKERS系统采用的碳纤维本体钢制飞轮质量只有系统采用的碳纤维本体钢制飞轮质量只有6KG6KG，直径，直径20cm20cm，最高转速可达，最高转速可达60000r/min60000r/min以上。以上。包容结构包容结构：为了防止

9、飞轮出现碎裂的情况，需要一为了防止飞轮出现碎裂的情况，需要一个非常坚固的结构来包容飞轮。个非常坚固的结构来包容飞轮。气密结构：气密结构：该装置可以保持容器内该装置可以保持容器内1 110-7bar10-7bar的真的真空度。空度。 轴承：轴承：轴承是飞轮系统的最大挑战，困难在于润滑，轴承是飞轮系统的最大挑战，困难在于润滑，因为在真空中是不能使用润滑油润滑的。因为在真空中是不能使用润滑油润滑的。 无限变速模块 由于飞轮转速与车轮转速相差过大，因此飞轮与车轮间需要一套超大速比的变速系统。 市场上许多汽车安装了无级变速器CVT，但这些变速器都是利用钢带和带轮传递动力和变速的，而机械飞轮式KERS系统

10、的无级变速器是圆环曲面式的，简称IVT（infinitely variable transmission） 无限变速式无极变速器。 主要由输入盘、输出盘和滚轮构成。输入盘的动力一般通过一个离合器连接KERS飞轮。输出盘与行星齿轮式的输出齿轮组相连。输入盘与输出盘利用液压压紧，并且压紧力可以根据传递扭矩的大小而调整。输入输出盘间是2到3组滚轮，当两转盘对向夹紧式，就会夹住这些滚轮，输入盘转动时会带着滚轮转，输出盘自然也跟着转起来。夹紧力度则由电控装置根据传递扭矩的大小来调节。力是通过滚动摩擦传递的，变速则通过让滚轮的轴线摆动实现。由此可看出力是通过滚轮与转盘间的滚动摩擦传递的。 IVT通过输出盘

11、上的齿轮与输出齿轮组相连。输出齿轮组 如图 所示，输出齿轮组由两根轴、四个齿轮和一个离合器构成。于IVT 相连接的传动轴上装有一个车桥侧离合器，当不需要回收能量时，车桥侧离合器断开，以减少发动机的能量损失。另一根轴上的两个减速齿轮一方面起到了增大传动比的作用，同时其中一个减速齿轮与车桥耦合齿轮相连接，以使得动力能够自由地在驱动桥和飞轮之间来回传递。车桥耦合齿轮相当于传统车辆的主减速器从动齿轮，但他的结构很特殊，拥有两个齿圈。一个是位于其外圆柱表面的斜齿圈，与KERS 系统相连；另一个齿圈是于传统汽车一样的，位于其侧面的螺旋齿轮，与变速器输出轴的圆锥齿轮相连。当汽车松开油门或制动时，电脑控制发动

12、机停止工作，车轮的动能通过差速器、车桥耦合齿轮、输出齿轮组、IVT 模块进入飞轮，飞轮高速旋转储存动能，能量回收完毕后，断开车桥侧离合器。当需要时，电脑将车桥侧离合器接合，飞轮储存的动能即反向释放，其动能与变速器传来的动力在车桥耦合齿轮上汇合后传给车轮。 机械飞轮式KERS 系统几乎完全由传统机械结构组成，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。但这种技术储存能量有限，尽管可以储存数十甚至上百千瓦的能量，但扭矩过小，并且每次输出能量时间很短，一般在10s 以内

13、，因此该系统只能为加速提供辅助，不可能实现纯电动行驶。控制系统控制系统： 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。飞轮动能回收系统也称离合器飞轮传动装置CFT KERS （ Clutched Flywheel Transmission）。工作过程工作过程： CFT KERS中的三个不同齿数的齿轮之一会被主齿轮箱中的一组齿轮驱动，在车轮与飞轮之间提供一系列不同的总传动比。 电脑通过一套液压装置操控离合器的开闭，可以无缝的实现从一个齿比转到另一个齿比。机械飞轮的优缺点1)功率相同，飞轮动能回收系统的尺寸和重量只有电池-电机动能回收系统的一半2)功率相同，造价只有电池-电动回收系

14、统系统的1/4，3)制造材料容易，易回收。 这种高转速的产品(低转速产品工程界早有使用)应用极少，目前已知的弱点是：扭矩输出小和能量存储有限。另外技术欠成熟也是其弱点所在。 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。 沃尔沃成功的将F1上的KERS技术应用在了量产车型上。沃尔沃声称，已经能利用此技术，实现油耗降低20%，还可提供车辆80匹马力，普通4缸发动机更能获得媲美6缸发动机的加速感。制动过程一开始，驱动前轮的制动过程一开始，驱动前轮的发动机立刻就停止工作。当汽发动机立刻就停止工作。当汽车再次起步时，飞轮积蓄的能车再次起步时

15、，飞轮积蓄的能量可用来给汽车加速，或者在量可用来给汽车加速，或者在汽车达到巡航速度后给汽车提汽车达到巡航速度后给汽车提供动力。飞轮储存的能量足够供动力。飞轮储存的能量足够为汽车提供短时间的动力，这为汽车提供短时间的动力，这样就对降低燃油消耗起到很大样就对降低燃油消耗起到很大的作用。计算表明，在新欧洲的作用。计算表明，在新欧洲行驶循环测试条件下，发动机行驶循环测试条件下，发动机能够在一半的行驶时间内处于能够在一半的行驶时间内处于关机状态。关机状态。应用实例：沃尔沃的应用实例：沃尔沃的FlywheelKERS电驱飞轮电驱飞轮KERS系统系统储能原理：储能原理：电能机械能电能电驱飞轮KERS系统实际

16、上就是用飞轮代替了电池。v工作过程工作过程 当赛车在入弯制动的过程中，后轴驱动安装在尾部发电机(这是一台可在发电机和电动机之间相互切换的无刷电机)旋转，发电后将电输入飞轮内部的电机，接着电机驱动处在真空中的飞 轮旋转，将电能转化为机械能(相当于化学电池的充电过程)。当赛车通过弯心、全油门出弯时，飞轮内部的电机立即切换到发电机模式，飞轮带动发电机旋转，将存储的机械能通过电能的形式，把能量反向输送给尾部的电机(相当于电池的放电过程)。此时，尾部电机立即切换到电动机状态，电能驱动电动机旋转，其输出的动力与V8引擎的动力汇聚后，传递给后轴。这便是是威廉姆斯的电驱飞轮KERS的整个工作过程。磁悬浮轴承代

17、替一般轴承，用真空容器来承载飞轮电池，保持其工作环境的真空度等方法来减小轴承处的摩擦及空气的阻力，以降低系统的能量损失。选择不同的轴承，可以实现不同的转速。威廉姆斯的系统最大理论转速可以达到160000转/分。 核心部件：飞轮电池核心部件：飞轮电池电驱飞轮电驱飞轮KERS的优势、发展前景的优势、发展前景v采用电驱飞轮蓄能，相较于传统的机械飞轮蓄能以及化学电池蓄能，有几个非常重要的优势：v第一，电驱飞轮不需要使用无极变速箱来实现能量向飞轮的输入输出，对降低系统质量有重大意义；v第二，向飞轮的能量输入和输入是通过电流的形式来实现的，因此系统不需要面对机械传输那样的密封问题。v第三，系统集成度低，飞轮电池的安装位置几乎不受限制v第四，目前，世界上较为先进的电驱飞轮，其净效率已高达95%。v第五，使用寿命长、性能稳定，当然机械飞轮也有这个优势。v前景：飞轮电池的概念一经提出，便以其储能密度高、体积小、质量轻、充电快、寿命长、无任何