汽车新技术综述动能回收系统

汽车新技术:能量回收系统姓名学号班级动能回收系统简介动能回收系统(KineticEnergyRecoverySystems)英文缩写KERS。其基础原理是：通过技术手段将车身制动能量存储起来，并在汽车加速过程中将其作为辅助动力释放利用！现今存在两种技术原理的KERS系统正在研发当中：飞轮动能回收系统和电池-电机动能回收系统。背景现在，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。2007年，德国出台了每公里二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，现在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。此时，以高科技著称、位居汽车运动金字塔尖的F1，如果无视这一社会趋势，必将面临被淘汰的危险。FIA主席马克思-莫斯利曾在2006年说过：“世界的趋势正在发生改变，你将看到最明显的是关于全球变暖问题。在世界每一个地方，都有非常突出的民意运动。如果现在我们不改革，我们将错过这一趋势，F1将变得落后，并最终死亡。”也许有人会认为莫斯利的话是在危言耸听，但F1的现状就是下面这样：2.4升V8引擎的百公里油耗高达49KG，19000转的极限转速对于民用引擎没有任何参考意义，耗资建1个1:1的风洞开销大于5000万欧元，不计全年24小时运转的成本，一站一改的空气动力学套件实用价值是零……。很显然，F1的技术发展方向，是完全与社会脱节的，而且随着能源和环境问题的加剧，它正在与社会发展方向背道而驰。过去，F1被称为汽车工业的试验田，先进民用技术的发源地；而随着技术发展趋势的变化，它的这项功能已越来越弱！在这种情况下，改革势在必行，而且刻不容缓。因为没有任何有社会责任的人，会对采用“过时”技术、大幅浪费能源、危害环境的运动顶礼膜拜！KERS正是F1顺应这一社会趋势，保持先进性迈出的第一步。在民用领域中，能量回收系统也有着很大的需求，我们驾驶的汽车在日常行驶过程中，不可避免地会有减速的需求。在这个时候，我们会暂停发动机的动力输出，增加一个运行的阻力负荷去消耗掉汽车继续前行的惯性，这个阻力负荷装置就是制动器。在制动过程中，汽车前行的惯性对车辆的制动器做功，使其变为摩擦片的热能而不可逆地散失掉。我们在激烈驾驶后会发现刹车盘热得发烫，这就是能量大幅度流失的一个表象。眼下全球汽车数量不断增多，交通状况日益恶劣，通过制动器流失的能量也越来越多。如何回收利用这些宝贵的能量，就成为了很多汽车工程师的热门研究项目。需要的解决方法就是在将汽车前行的惯量用一个装置或设备存储起来，在需要的时候输出

再利用，这个装置就是能量回收系统。发展及应用飞轮动能回收系统2007年年初，受到雷诺汽车公司的支持，雷诺F1车队的两位工程师乔恩-希尔顿和道格-克罗斯离开总部恩斯托(enstone)专门在银石组建了一家名叫“FlybridSystemsLLP”的公司。在这里，Flybrid是两个英语单词飞轮(flywheel)和混合动力(hybrid)的组合词，译为“飞轮混合动力系统公司”(简称为FB公司)。该公司在2007年年中开发出了一套高效率的飞轮动能回收系统(见上图)。

固定传劫比⑴部合器⑵飞轮动能回收系统原理图上图是FlybHd公司提供的飞轮动能回收系统原理图（右下为七即土鲤图效果图）其结构简单总共由一套高转速飞轮、两套固定俺动比齿轮蛆.一台无级娈速箱和一套离合器构成（离合器2八固定传劫比⑴部合器⑵飞轮动能回收系统原理图当赛车在制动的过程中，车身劫能会通过无级壹速箱怯入飞轮，此时飞轮植驱劫、高速旋转积蓄能量U而当赛车在出弯时，飞貌积蓄的能登则通过无级变速箱反向暮放。飞轮动能回收系统的原理其实非常简单。儿时玩过回力玩具车的朋友知道，当我们通过向后滚动车轮让蓄能结构（一般为弹簧或橡皮筋结构）积蓄势能后，再将车放在地上，积蓄的势能便能让车快速行驶起来。FB公司的动能回收方案，正是采用的这种基础原理（其基础原理，即从动能一＞势能一＞动能的转化过程）。如上图所示：这是FB公司提供的系统原理图（右下为CAD三维效果图）。它总共由：一套高转速飞轮、两套固定传动比齿轮组、一台CVT（无级变速箱）和一套离合器构成（离合器2），其中无级变速箱由技术合作伙伴Torotrak公司提供，另一家公司Xtrac负责传动系统制造。系统工作过程如下：当赛车在制动的过程中，车身动能会通过无级变速箱传入飞轮，此时处于真空盒中的飞轮被驱动、高速旋转积蓄能量。而当赛车在出弯时，飞轮积蓄的能量则通过无级变速箱反向释放（这里指的反向指能量的流向，而非飞轮旋转方向），并在主变速箱的输出端和引擎动力汇合后，作为推动力传递给后轴。整套系统结构简单紧凑，由写入SECU（标准ECU）的配套程序进行控制。在外形上，可根据用户需求，做针对性调整。也就是说可以具有不同的外形选择。飞轮动能回收系统的优点包括：制造成本低、效率高、结构简单、体积紧凑、重量轻、工作温度区间广、安全稳定、寿命长、可重复使用和环保。为了更加形象的说明飞轮动能回收系统的技术优势，FB公司还专门给出了计划应用于民用车的该系统，与下面要讲的电池-电动动能回收系统相比的几个值得骄傲的数值，如下：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-电动回收系统系统的1/4，3）制造材料容易，易回收。由于像FB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。电池•电机动能回收系统（民用领域叫油电混合动力系统）和FB公司的飞轮动能回收系统相比，电池-电机动能回收系统是更主流的方案，这和大多数汽车制造商在量产车上的研发经历直接相关。众所周知，日本的两大汽车厂商丰田和本田在油电混合技术上已经有了相当长的研发历史，并在世界处于领先地位，因此采用电池-电机动能回收系统是必然的。本田IMA本田IMA油电回合动力系统这是本田的第二代1雄系统（目前已筮展到第王代）其结拘韭常简单，系统核心是一台功率为2。马力的无刷电动机（511）.它禳安装在一台L3升的直列4瓦或擎和一台无级变速箱（S2）之间.【注意：电机动和发动机是直接相逢.无离合器】现在，电池-电机动能回收系统，即油电混合动力系统在民用车领域已发展到百花齐放的地步，从丰田的HSD、本田的IMA，到宝马、前戴-克、通用合作开发的双模式混合动力、再到斯太尔和西门子携手研发的HYSUV。虽然基础原理相同，但具体技术方案和实际效果却存在很大的差异。以本田的IMA系统为例，来讲解电池-电机动能回收系统的原理。这是一套最简单的油电混合动力系统。如图所示，这是本田的第二代IMA系统（日前已发展到第三代）。其结构非常简单，系统核心是一台功率为20马力的无刷电动机（图1）。它被安装在一台1.3升的百列4缸引擎和一台无级变速箱之间（图2）（电机动和发动机之间是直接相连，无离合器）。工作过程如下：当汽车点火时：这台超薄的电动机扮演普通马达的角色启动发动机，并在汽车加速的过程中，作为辅助动力协助发动机工作。而当汽车制动时，它会立即切换到发电机模式（即由电动机转化为发电机），将动能转化为电能存储在最高电压158伏的镍金属电池中，并在汽车下一次需要动力的过程中释放出来。电池-电机动能回收系统面临的第一个问题是电池的技术瓶颈。油电混合系统已经在民用车上拥有超过10年的发展历史（1997年丰田推出了全球首款油电混合动力车普瑞斯，本田在1999年推出自己的第一款混合动力车Insight），与之配套的电池技术也历经了近10年的发展。但是到目前为止，电池技术的效能仍然非常低。目前，大多数油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%。现在各大汽车厂商都将目光转向了新电池类型一锂电池。但这几乎是一个全新的技术领域，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。号称第一款采用锂电池的混合动力量产车——奔驰S400BLUEHYBRID已经在2011年的第三季度才上市。而在这该方面处于领先位置的丰田，与松下的合作研究成果也还处在酝酿之中。因此说锂电池对于汽车工业来讲是一个新兴的技术领域绝不为过。对于民用混合车来讲，使用锂电池的技术瓶颈有二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，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25〜40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。电池-电机动能回收系统的主要优点是：扭矩输出大、能量释放便于控制、技术成熟（不包含新电池技术）、有民用车研发经历作为参考，另外由于电池技术对未来汽车工业极为重要，因此F1电池-电机动能回收系统在电池方面的研究，对未来汽车工业的贡献极大。电池-电机动能回收系统的弱点是：系统沉、体积大、对车身布局和配重均带来较大的冲击