汽车新技术综述动能回收系统

汽车新技术：能量回收系统

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动能回收系统

简介动能回收系统(KineticEnergyRecoverySystems)英文缩写KERS。

其根底原理是：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开展与保护环境这对•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开展前

途。与此同时，现在有的城市甚至方案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c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开展有多迫切。时下，

虽然各大制造商从未达成过任何共识，但已根本形成了默认的开展思路：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

界的趋势止在发生改变，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小时运转的本钱，一站一改的空气动力学套件实

用价值是零……。很显然，F1的技术开展方向，是完全与社会脱节的，而且

随着能源和环境问题的加剧，它正在与社会开展方向背道而驰。过去，F1被

称为汽车工业的试验田，先进民用技术的发源地;而随着技术开展趋势的变化,

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，不可防止地会有减速的需求。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。我们在剧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。如何收利用这些珍贵

的能量，就成为了很多汽车工程师的热门研究工程。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。

开展及应用

飞轮动能回收系统

2（）07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）。

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，正是采用的这种根底原理（其根底原理，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

那么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集合后，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：制造本钱低、效率高、结构简单、体积紧

凑、重量轻、工作温度区间广、平安稳定、寿命长、可重复使用和环保。为了

时：这台超薄的电动机扮演普逋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

银金属电池中，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年的开展历史（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年的开展。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锲氢电池，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——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），比方、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c但因锂

电池允许的放电电压幅度区间小，因此必须对目压进行严密监控。可和锲氢电

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

一个和本钱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，对未来汽车工业的奉献极大。

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、平安隐患多、本钱高、电池对环境污染大等等。

欧盟2012年轿车二氧化碳排放标准将