汽車新技術(shù)綜述動(dòng)能回收系統(tǒng)

汽車新技術(shù):能量回收系統(tǒng)姓名學(xué)號(hào)班級(jí)動(dòng)能回收系統(tǒng)簡(jiǎn)介動(dòng)能回收系統(tǒng)(KineticEnergyRecoverySystems)英文縮寫KERS。其基礎(chǔ)原理是：通過(guò)技術(shù)手段將車身制動(dòng)能量存儲(chǔ)起來(lái)，并在汽車加速過(guò)程中將其作為輔助動(dòng)力釋放利用！現(xiàn)今存在兩種技術(shù)原理的KERS系統(tǒng)正在研發(fā)當(dāng)中：飛輪動(dòng)能回收系統(tǒng)和電池-電機(jī)動(dòng)能回收系統(tǒng)。背景現(xiàn)在，全世界的汽車工業(yè)都面臨著產(chǎn)業(yè)發(fā)展與保護(hù)環(huán)境這對(duì)矛盾。能源問(wèn)題，二氧化碳排放，早已不再是時(shí)髦的話題，而是就擺著面前，并需要立即動(dòng)手解決的問(wèn)題。2007年，德國(guó)出臺(tái)了每公里二氧化碳排放量不得超過(guò)120克的指標(biāo)，這一指標(biāo)如果成為法規(guī)，將意味著大排量發(fā)動(dòng)機(jī)不再有發(fā)展前途。與此同時(shí)，現(xiàn)在有的城市甚至計(jì)劃只允許在市中心使用混合動(dòng)力車，這意味著廠商在開(kāi)發(fā)產(chǎn)品時(shí)，必須保證他們的車型可以選裝混合動(dòng)力系統(tǒng)。通過(guò)這兩例，我們可以看到高效率的環(huán)保技術(shù)對(duì)于汽車工業(yè)的發(fā)展有多迫切。時(shí)下，雖然各大制造商從未達(dá)成過(guò)任何共識(shí)，但已基本形成了默認(rèn)的發(fā)展思路：先從混合動(dòng)力入手，然后向氫動(dòng)力或純電力過(guò)渡。只有這樣，汽車工業(yè)才可能有未來(lái)。此時(shí)，以高科技著稱、位居汽車運(yùn)動(dòng)金字塔尖的F1，如果無(wú)視這一社會(huì)趨勢(shì)，必將面臨被淘汰的危險(xiǎn)。FIA主席馬克思-莫斯利曾在2006年說(shuō)過(guò)：“世界的趨勢(shì)正在發(fā)生改變，你將看到最明顯的是關(guān)于全球變暖問(wèn)題。在世界每一個(gè)地方，都有非常突出的民意運(yùn)動(dòng)。如果現(xiàn)在我們不改革，我們將錯(cuò)過(guò)這一趨勢(shì)，F(xiàn)1將變得落后，并最終死亡?！币苍S有人會(huì)認(rèn)為莫斯利的話是在危言聳聽(tīng)，但F1的現(xiàn)狀就是下面這樣：2.4升V8引擎的百公里油耗高達(dá)49KG，19000轉(zhuǎn)的極限轉(zhuǎn)速對(duì)于民用引擎沒(méi)有任何參考意義，耗資建1個(gè)1:1的風(fēng)洞開(kāi)銷大于5000萬(wàn)歐元，不計(jì)全年24小時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的成本，一站一改的空氣動(dòng)力學(xué)套件實(shí)用價(jià)值是零……。很顯然，F(xiàn)1的技術(shù)發(fā)展方向，是完全與社會(huì)脫節(jié)的，而且隨著能源和環(huán)境問(wèn)題的加劇，它正在與社會(huì)發(fā)展方向背道而馳。過(guò)去，F(xiàn)1被稱為汽車工業(yè)的試驗(yàn)田，先進(jìn)民用技術(shù)的發(fā)源地；而隨著技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的變化，它的這項(xiàng)功能已越來(lái)越弱！在這種情況下，改革勢(shì)在必行，而且刻不容緩。因?yàn)闆](méi)有任何有社會(huì)責(zé)任的人，會(huì)對(duì)采用“過(guò)時(shí)”技術(shù)、大幅浪費(fèi)能源、危害環(huán)境的運(yùn)動(dòng)頂禮膜拜！KERS正是F1順應(yīng)這一社會(huì)趨勢(shì)，保持先進(jìn)性邁出的第一步。在民用領(lǐng)域中，能量回收系統(tǒng)也有著很大的需求，我們駕駛的汽車在日常行駛過(guò)程中，不可避免地會(huì)有減速的需求。在這個(gè)時(shí)候，我們會(huì)暫停發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出，增加一個(gè)運(yùn)行的阻力負(fù)荷去消耗掉汽車?yán)^續(xù)前行的慣性，這個(gè)阻力負(fù)荷裝置就是制動(dòng)器。在制動(dòng)過(guò)程中，汽車前行的慣性對(duì)車輛的制動(dòng)器做功，使其變?yōu)槟Σ疗臒崮芏豢赡娴厣⑹У簟Ｎ覀冊(cè)诩ち荫{駛后會(huì)發(fā)現(xiàn)剎車盤熱得發(fā)燙，這就是能量大幅度流失的一個(gè)表象。眼下全球汽車數(shù)量不斷增多，交通狀況日益惡劣，通過(guò)制動(dòng)器流失的能量也越來(lái)越多。如何回收利用這些寶貴的能量，就成為了很多汽車工程師的熱門研究項(xiàng)目。需要的解決方法就是在將汽車前行的慣量用一個(gè)裝置或設(shè)備存儲(chǔ)起來(lái)，在需要的時(shí)候輸出

再利用，這個(gè)裝置就是能量回收系統(tǒng)。發(fā)展及應(yīng)用飛輪動(dòng)能回收系統(tǒng)2007年年初，受到雷諾汽車公司的支持，雷諾F1車隊(duì)的兩位工程師喬恩-希爾頓和道格-克羅斯離開(kāi)總部恩斯托(enstone)專門在銀石組建了一家名叫“FlybridSystemsLLP”的公司。在這里，F(xiàn)lybrid是兩個(gè)英語(yǔ)單詞飛輪(flywheel)和混合動(dòng)力(hybrid)的組合詞，譯為“飛輪混合動(dòng)力系統(tǒng)公司”(簡(jiǎn)稱為FB公司)。該公司在2007年年中開(kāi)發(fā)出了一套高效率的飛輪動(dòng)能回收系統(tǒng)(見(jiàn)上圖)。

固定傳劫比⑴部合器⑵飛輪動(dòng)能回收系統(tǒng)原理圖上圖是FlybHd公司提供的飛輪動(dòng)能回收系統(tǒng)原理圖（右下為七即土鯉圖效果圖）其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單總共由一套高轉(zhuǎn)速飛輪、兩套固定俺動(dòng)比齒輪蛆.一臺(tái)無(wú)級(jí)孌速箱和一套離合器構(gòu)成（離合器2八固定傳劫比⑴部合器⑵飛輪動(dòng)能回收系統(tǒng)原理圖當(dāng)賽車在制動(dòng)的過(guò)程中，車身劫能會(huì)通過(guò)無(wú)級(jí)壹速箱怯入飛輪，此時(shí)飛輪植驅(qū)劫、高速旋轉(zhuǎn)積蓄能量U而當(dāng)賽車在出彎時(shí)，飛貌積蓄的能登則通過(guò)無(wú)級(jí)變速箱反向暮放。飛輪動(dòng)能回收系統(tǒng)的原理其實(shí)非常簡(jiǎn)單。兒時(shí)玩過(guò)回力玩具車的朋友知道，當(dāng)我們通過(guò)向后滾動(dòng)車輪讓蓄能結(jié)構(gòu)（一般為彈簧或橡皮筋結(jié)構(gòu)）積蓄勢(shì)能后，再將車放在地上，積蓄的勢(shì)能便能讓車快速行駛起來(lái)。FB公司的動(dòng)能回收方案，正是采用的這種基礎(chǔ)原理（其基礎(chǔ)原理，即從動(dòng)能一＞勢(shì)能一＞動(dòng)能的轉(zhuǎn)化過(guò)程）。如上圖所示：這是FB公司提供的系統(tǒng)原理圖（右下為CAD三維效果圖）。它總共由：一套高轉(zhuǎn)速飛輪、兩套固定傳動(dòng)比齒輪組、一臺(tái)CVT（無(wú)級(jí)變速箱）和一套離合器構(gòu)成（離合器2），其中無(wú)級(jí)變速箱由技術(shù)合作伙伴Torotrak公司提供，另一家公司Xtrac負(fù)責(zé)傳動(dòng)系統(tǒng)制造。系統(tǒng)工作過(guò)程如下：當(dāng)賽車在制動(dòng)的過(guò)程中，車身動(dòng)能會(huì)通過(guò)無(wú)級(jí)變速箱傳入飛輪，此時(shí)處于真空盒中的飛輪被驅(qū)動(dòng)、高速旋轉(zhuǎn)積蓄能量。而當(dāng)賽車在出彎時(shí)，飛輪積蓄的能量則通過(guò)無(wú)級(jí)變速箱反向釋放（這里指的反向指能量的流向，而非飛輪旋轉(zhuǎn)方向），并在主變速箱的輸出端和引擎動(dòng)力匯合后，作為推動(dòng)力傳遞給后軸。整套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，由寫入SECU（標(biāo)準(zhǔn)ECU）的配套程序進(jìn)行控制。在外形上，可根據(jù)用戶需求，做針對(duì)性調(diào)整。也就是說(shuō)可以具有不同的外形選擇。飛輪動(dòng)能回收系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)包括：制造成本低、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積緊湊、重量輕、工作溫度區(qū)間廣、安全穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)、可重復(fù)使用和環(huán)保。為了更加形象的說(shuō)明飛輪動(dòng)能回收系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，F(xiàn)B公司還專門給出了計(jì)劃應(yīng)用于民用車的該系統(tǒng)，與下面要講的電池-電動(dòng)動(dòng)能回收系統(tǒng)相比的幾個(gè)值得驕傲的數(shù)值，如下：1）功率相同，飛輪動(dòng)能回收系統(tǒng)的尺寸和重量只有電池-電機(jī)動(dòng)能回收系統(tǒng)的一半2）功率相同，造價(jià)只有電池-電動(dòng)回收系統(tǒng)系統(tǒng)的1/4，3）制造材料容易，易回收。由于像FB這種高轉(zhuǎn)速的產(chǎn)品（低轉(zhuǎn)速產(chǎn)品工程界早有使用）應(yīng)用極少，目前已知的弱點(diǎn)是：扭矩輸出小和能量存儲(chǔ)有限。另外技術(shù)欠成熟也是其弱點(diǎn)所在。電池?電機(jī)動(dòng)能回收系統(tǒng)（民用領(lǐng)域叫油電混合動(dòng)力系統(tǒng)）和FB公司的飛輪動(dòng)能回收系統(tǒng)相比，電池-電機(jī)動(dòng)能回收系統(tǒng)是更主流的方案，這和大多數(shù)汽車制造商在量產(chǎn)車上的研發(fā)經(jīng)歷直接相關(guān)。眾所周知，日本的兩大汽車廠商豐田和本田在油電混合技術(shù)上已經(jīng)有了相當(dāng)長(zhǎng)的研發(fā)歷史，并在世界處于領(lǐng)先地位，因此采用電池-電機(jī)動(dòng)能回收系統(tǒng)是必然的。本田IMA本田IMA油電回合動(dòng)力系統(tǒng)這是本田的第二代1雄系統(tǒng)（目前已筮展到第王代）其結(jié)拘韭常簡(jiǎn)單，系統(tǒng)核心是一臺(tái)功率為2。馬力的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)（511）.它禳安裝在一臺(tái)L3升的直列4瓦或擎和一臺(tái)無(wú)級(jí)變速箱（S2）之間.【注意：電機(jī)動(dòng)和發(fā)動(dòng)機(jī)是直接相逢.無(wú)離合器】現(xiàn)在，電池-電機(jī)動(dòng)能回收系統(tǒng)，即油電混合動(dòng)力系統(tǒng)在民用車領(lǐng)域已發(fā)展到百花齊放的地步，從豐田的HSD、本田的IMA，到寶馬、前戴-克、通用合作開(kāi)發(fā)的雙模式混合動(dòng)力、再到斯太爾和西門子攜手研發(fā)的HYSUV。雖然基礎(chǔ)原理相同，但具體技術(shù)方案和實(shí)際效果卻存在很大的差異。以本田的IMA系統(tǒng)為例，來(lái)講解電池-電機(jī)動(dòng)能回收系統(tǒng)的原理。這是一套最簡(jiǎn)單的油電混合動(dòng)力系統(tǒng)。如圖所示，這是本田的第二代IMA系統(tǒng)（日前已發(fā)展到第三代）。其結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，系統(tǒng)核心是一臺(tái)功率為20馬力的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)（圖1）。它被安裝在一臺(tái)1.3升的百列4缸引擎和一臺(tái)無(wú)級(jí)變速箱之間（圖2）（電機(jī)動(dòng)和發(fā)動(dòng)機(jī)之間是直接相連，無(wú)離合器）。工作過(guò)程如下：當(dāng)汽車點(diǎn)火時(shí)：這臺(tái)超薄的電動(dòng)機(jī)扮演普通馬達(dá)的角色啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，并在汽車加速的過(guò)程中，作為輔助動(dòng)力協(xié)助發(fā)動(dòng)機(jī)工作。而當(dāng)汽車制動(dòng)時(shí)，它會(huì)立即切換到發(fā)電機(jī)模式（即由電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)化為發(fā)電機(jī)），將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能存儲(chǔ)在最高電壓158伏的鎳金屬電池中，并在汽車下一次需要?jiǎng)恿Φ倪^(guò)程中釋放出來(lái)。電池-電機(jī)動(dòng)能回收系統(tǒng)面臨的第一個(gè)問(wèn)題是電池的技術(shù)瓶頸。油電混合系統(tǒng)已經(jīng)在民用車上擁有超過(guò)10年的發(fā)展歷史（1997年豐田推出了全球首款油電混合動(dòng)力車普瑞斯，本田在1999年推出自己的第一款混合動(dòng)力車Insight），與之配套的電池技術(shù)也歷經(jīng)了近10年的發(fā)展。但是到目前為止，電池技術(shù)的效能仍然非常低。目前，大多數(shù)油電混合動(dòng)力車型仍然是采用的鎳氫電池，這種電池雖然技術(shù)成熟，但是弱點(diǎn)也非常明顯，那就是能量密度和功率密度低。豐田普瑞斯的電池為保證使用壽命，充電幅度不能大于80%?，F(xiàn)在各大汽車廠商都將目光轉(zhuǎn)向了新電池類型一鋰電池。但這幾乎是一個(gè)全新的技術(shù)領(lǐng)域，誠(chéng)然，鋰電池已經(jīng)在我們的生活中的得到廣泛應(yīng)用（鋰電池最早應(yīng)用于軍事領(lǐng)域），比如手機(jī)、筆記本；但是到目前為止，還沒(méi)有哪一家汽車廠商在混合動(dòng)力系統(tǒng)上，有過(guò)大批量使用的經(jīng)驗(yàn)。號(hào)稱第一款采用鋰電池的混合動(dòng)力量產(chǎn)車——奔馳S400BLUEHYBRID已經(jīng)在2011年的第三季度才上市。而在這該方面處于領(lǐng)先位置的豐田，與松下的合作研究成果也還處在醞釀之中。因此說(shuō)鋰電池對(duì)于汽車工業(yè)來(lái)講是一個(gè)新興的技術(shù)領(lǐng)域絕不為過(guò)。對(duì)于民用混合車來(lái)講，使用鋰電池的技術(shù)瓶頸有二A鋰電池第一個(gè)需要解決的問(wèn)題是，如何簡(jiǎn)化管理的問(wèn)題。為了滿足汽車行駛的需求，鋰電池需要采取蓄電池組的形式進(jìn)行鏈接以獲得更高的電壓。但因鋰電池允許的放電電壓幅度區(qū)間小，因此必須對(duì)電壓進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)控?？珊玩嚉潆姵夭煌氖牵荒苓M(jìn)行統(tǒng)一管理，而是需要對(duì)每個(gè)電池進(jìn)行單獨(dú)監(jiān)控，這是一個(gè)和成本以及系統(tǒng)復(fù)雜程度直接相關(guān)的問(wèn)題。找到理想解決之道尚需時(shí)日。B鋰電池的第二個(gè)技術(shù)瓶頸是對(duì)電化學(xué)過(guò)程的溫度很敏感，必須在25?40度之間才能發(fā)揮最大作用。溫差大于5度不僅會(huì)影響其性能，還會(huì)縮短壽命。民用車上，工程師拿出的解決方案是專設(shè)一個(gè)水循環(huán)來(lái)保持電池的工作穩(wěn)定，但如此一來(lái)就增加了電池的重量。這對(duì)于在質(zhì)量能量比上，本來(lái)就處于劣勢(shì)的電池-電機(jī)動(dòng)能回收系統(tǒng)（相對(duì)于飛輪動(dòng)能回收系統(tǒng)）無(wú)異于雪上加霜。電池-電機(jī)動(dòng)能回收系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是：扭矩輸出大、能量釋放便于控制、技術(shù)成熟（不包含新電池技術(shù)）、有民用車研發(fā)經(jīng)歷作為參考，另外由于電池技術(shù)對(duì)未來(lái)汽車工業(yè)極為重要，因此F1電池-電機(jī)動(dòng)能回收系統(tǒng)在電池方面的研究，對(duì)未來(lái)汽車工業(yè)的貢獻(xiàn)極大。電池-電機(jī)動(dòng)能回收系統(tǒng)的弱點(diǎn)是：系統(tǒng)沉、體積大、對(duì)車身布局和配重均帶來(lái)較大的沖擊