[kers系统]KERS系统深度分析 80马力的学问(附图)

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新浪体育讯


明年，F1将在动力系统上进行一次重大改革、引入旨在提高能效利用的动能回收系统(KERS)。虽然目前多支车队的技术方案已进入赛道测试阶段，但因技术保密，公众对其知之甚少、关注度极低。直至近日，发生在红牛和宝马身上的两起技术事故，才让KERS成为了热门关键词。
为此，我们推出了下面这篇关于KERS的专题报道。内容涉及：KERS原理概述、FIA改革初衷、配套规则环境、具体技术方案详解和优缺点对比四大方面。其中最后一点是本文的重点，为了便于理解，我们又将其细分为五个小方面进行讲解。希望通过本文，能为大家了解这项技术，以及观看未来的比赛，起到帮助作用！
一，什么是KERS？
KERS是动能回收系统(Kinetic Energy Recovery Systems)的英文缩写。其基础原理是：通过技术手段将车身制动能量存储起来，并在赛车加速过程中将其作为辅助动力释放利用！具体的使用方法可能模仿A1的加速按钮来实现。
二，FIA为何要引入KERS？
很多人认为F1引入KERS的是FIA为增加超车机会-提高比赛兴奋度，压制引擎研发-控制成本飚升而采取的一时之举，这是完全错误的！
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。去年，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、位居汽车运动金子塔尖的F1，如果无视这一社会趋势，必将面临被涛汰的危险。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kers系统，现在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；而现在，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。(关于F1动力系统的远景规划，请【点击】查看我们之前的报道)
三，FIA对KERS的规则限制
为了鼓励、推动KERS技术的发展，FIA给予了车队充足的发挥空间。在今年7月11日发布的2009版F1技术规则中，国际汽联只对KERS几项技术指标做了规定，其余所有环节都是开放的。按照莫斯利的说法，KERS的发展几乎不受限。下文便是新规则中仅有的约束条款：
1，KERS系统的最大输出和输入功率不得超过60KW，每圈的能量释放总量不得超过400KJ。(规则原文5.2.3)
2 赛车在进站加油的过程中，不得向KERS的系统增加能量存储。(规则原文5.2.4)
3 赛车引擎、变速箱、离合器、差速器和KERS以及所有的相关激活机构，必须由FIA指定的ECU供应商提供的ECU控制(即迈凯轮提供的标准ECU)。(规则原文8.2.1)
现版09款规则对KERS的限制仅此而已！
四：两种技术原理的KERS系统及其优缺点(本文重点)
在FIA宽松的规则框架下，现在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。下面，我们将从研发背景、技术原理、参数指标、技术难点和方案优缺点五个方面对其进行详细介绍。首先讲已经面世的“飞轮动能回收系统”。
1，飞轮动能回收系统



A，研发背景



这是雷诺将采用的技术方案，威廉姆斯打算购买！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“Flybrid Systems LLP”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，我们将其译为“飞轮混合动力系统公司”【注：下文统一简称为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)。
B，原理简介



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【注意：是基础原理，即从动能－>势能—>动能的转化过程】。但其具体的工作过程肯定要复杂许多，要知道这是时速超过300公里的F1赛车。下面让我们一起看其实际构造：
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【注：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！

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C，技术难点



众所周知，对于F1赛车来讲每一公斤的质量都是有用的。为了达到尽可能高的能量密度比(注：飞轮动能回收系统的这项指标已经很高)，使系统对赛车的配重影响降至最低，采用飞轮动能回收方案需要将蓄能主体飞轮做的尽可能的小，但这又如何满足能量存储指标呢？
FB公司采用的解决方案是提高转速。目前，他们试制品飞轮转速已达到64500转/分，这是一个近乎疯狂的数字。但此时新问题又出现了，因为高转速意味着系统会产生巨大的热量和面临巨大的风阻损耗。
希尔顿和克罗斯最终决定将飞轮包装在一个真空盒内部，按照该公司的说法，内部气压可达1x10-7帕。这到底是一个怎样的概念呢？乔恩-希尔顿表示，这相当于一个气体分子需要运行45KM才能和另外一个相遇。不过想的到还得做得到，将飞轮置身真空盒的确可以解决生热和风阻损耗的问题，但如何防止轴承在(向飞轮)输入和输出动力的过程中，气密性不被破坏呢？新的难题再次诞生！在现有技术下，电转换是种可选方案，但能量损失太严重。结果这两位工程师还是找到了解决之道，他们发明了创新的轴密封技术，现已申请专利。



但高转速带来的挑战还不只是这些，首先，64500转/分意味着飞轮自身在运动的过程中，将承受着巨大的G值，这正是飞轮要采用碳纤维和钢制造的原因，第二，64500转/分的转速并非普通的轴承系统能够承受，因为根本无法在真空内部给轴承润滑。但希尔顿和克罗斯还是做到了，只是没有公布其中的奥秘。
飞轮动能回收方案面临的最后一道考验是如何保证超高转速的飞轮安全可靠，为此，它需要像F1赛车的鼻锥一样进行严格的碰撞测试。去年8月29日，FB公司在英国的Cranfield碰撞测试中心对飞轮进行了碰撞测试，Cranfield是FIA认可的碰撞试验室。FB公司反映他们的飞轮在峰值减速度超过20G的情况下，仍完好无损，事后仍能继续胜任高转速工作。



D，FB公司飞轮动能回收系统技术参数预览
技术方案：飞轮动能回收系统
技术原理：通过飞轮存储并释放能量
飞轮材质：钢/碳纤维
飞轮质量：5KG
飞轮转速：64500转/分
最大功率：60KW(FIA规定上限)
最大扭矩：130牛.米(理论)



最大能储：400千焦
系统总重：24KG
系统体积：13升
系统效率：65～70%
E，FB公司飞轮动能回收系统优缺点
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。
2，电池-电机动能回收系统(民用领域叫油电混合动力系统)
A，背景
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，使用车队占绝大多数，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。
目前，除这两家公司外，已经确认正在测试此类方案的还有宝马和红牛。后者目前使用雷诺引擎，上面我们提到雷诺和威廉姆斯都打算采用飞轮动能回收方案，因此从中可以看到KERS的研发具有较高的独立性。
另外，由于奔驰和宝马在民用车领域有过合作开发双模式混合动力的经历(即宝马、通用和前戴-克携手开发的双模式混合动力，将用于宝马X6和奔驰S400)，因此几乎可以肯定迈凯轮也是采用的电池-电机动能回收系统。
现在唯一不确定的是法拉利。已知的事实是：法拉利在民用车领域还没有油电混合动力系统的研发经历。但是，面对能源紧缺、排放越来越严格的大趋势，即便FIA没有引入KERS的计划，法拉利的量产车部门也应当开始启动相关的节能研发项目。因此关于跃马在这方面的相关技术经验情况，妄加评价是不合适的。但不管怎样，如果采用电池-电机动能回收系统，法拉利面临的挑战无论如何都要比其他大型汽车制造商大很多。
在KERS的态度上，法拉利内部存在不同的看法，副总裁皮尔诺-法拉利认为这和FIA节约的大方向是相悖的。而迈克尔-舒马赫则表示支持，德国车王的视角和马克思-莫斯利相同，他看重的是F1的长远未来 。今年年初，印度力量曾明确表示来年会购买法拉利的KERS系统。
B，技术原理



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。
考虑到F1赛车对重量和体积的“高敏感”性，预计多数车队在KERS引入初期，会选择采用尽可能紧凑和可靠的方案。下面，我们以本田的IMA系统为例，来讲解电池-电机动能回收系统的原理【注意：是基础原理】。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(目前已发展到第三代)。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升的直列4缸引擎和一台无级变速箱之间(图2)【注意：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。



F1车队正在研发的电池-电机动能回收系统基础原理与其相同(主要指充电和放电过程)，但技术和运行程序无疑会复杂很多，效率也会更高。

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C，技术难点
1)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。
大家知道，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%。虽然F1赛车的电池可能不需要考虑像民用车一样的长寿命(准确的讲，FIA现在还没有制定相关规则)，但这个充电幅度已经是镍氢电池的极限了。
因此现在各大汽车厂商都将目光转向了新电池类型——锂电池。根据目前掌握的信息，几乎所有选用电池-电机动能回收系统的F1车队，都是使用的这种类型的电池，但这几乎是一个全新的技术领域。
这样讲绝非夸大其词，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S400 BLUE HYBRID要在今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F1赛车来讲，使用锂电池的技术瓶颈有二，当然这也是民用混合车正面临的难题
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。



2)如何保证安全
这是电池-电机动能回收系统面临的第二大难题！
a，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。红牛车队测试中引发“火灾”，很可能就是这种情况。解决这一问题是寻找新的电极材料，但这又会陷入恶性循环，导致成本增加。据红牛车队反映，在测试中发生电池起火的车队绝不只他们一家。“我认为我们并非唯一惊动消防队的车队，欧洲有其他一些车队也遇到了类似的问题。但发生在可控的研发测试台架上kers系统，总比发生在赛道，赛车着火好。”霍纳尔说道。
b，高电压
电池-电机动能回收系统如果采用锂电池涉及到的安全问题还不只上面提到的自燃问题。像宝马-索伯本周在赫雷斯测试出现的问题也值得高度重视。
上面我们提到FIA有关KERS规则部分没有对系统的工作电压做限制(FIA规定，除KERS系统外，赛车各电路的额定电压不得超过17伏【注：直流电】)，这使得很多车队为了提高输出功率，会采用高压手段，红牛在谈及自己的KERS系统电压时，用VERY HIGH来形容。
高压意味着高危险性！宝马技师在赫雷兹遭遇电击倒地后，被送医院检查就说明了如果漏电，情况会有多糟！丰田引以为傲的第二代普瑞斯电池电压达到273.6伏(名义电压)，预计F1车队研发的系统电压将远超过这一数值。
c，安放位置
最后一个关于电池-电机动能回收系统的安全问题是：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。



但即便如此，就能保证100%安全了吗？答案显然是否定的。宝马-索伯在这个问题上的看法是，风险肯定有，但不能因为风险就放弃接纳新技术。“如果你看看今天F1的安全水平，你会发现我们现有的技术是控制的非常好的。不管怎样，我也不认为电池的危险系数有油箱爆炸或者泄漏的风险大。”马里奥-泰森说道。
的确，要革命就有风险，这是千古真理！
3)如何实现高质量功率比、高质量能量比
电池-电机动能回收系统面临的第三大难题是如何实现高质量功率比！
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！



D，电池-电机动能回收系统技术参数预览(注：目前只有宝马公布了其KERS系统的部分参数，因此下表数据主要来自宝马)
技术方案：电池-电机动能回收系统
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)
工作电压：-
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：
系统体积：-
系统效率：35-45%
E，电池-电机动能回收系统的优缺点
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F1车身布局和配重均带来较大的冲击(这也正是年初很多车队要求FIA放宽F1最低质量605KG下限的原因)、安全隐患多、成本高、电池对环境污染大等等。
五，一点思考
通过前文冗长的讲述，相信大家已对KERS技术有了一定的了解！现在，除了该技术下一步的发展动态值得关注外，作为观众来讲，我们更想知道它会对明年的比赛带来怎样的影响、以及多大的影响。此前，以本田为代表的几支车队在谈及2009年时，都指出空气动力学规则的大改(方向是精简)和光头胎的引入意味着所有车队将从一个新的起点出发、将给落后的车队带来翻身的新机会。相反，很少谈及KERS系统，这似乎从反面表明了他们的立场：KERS不足以导致实力格局重新洗牌！
但是当红牛和宝马先后遭遇恶性技术事故后，包括混合动力技术领军者丰田在内的多支车队，均站出来对KERS系统能否在明年安全引入表示担忧，那么这又意味着了什么呢？我想这至少可以说明现阶段KERS技术并不是那么容易“玩”的(当然在上文的论述中，大家已经看到了这点)。那么谁能操控好这额外的60千瓦呢？
事实是：比起通过精雕细琢气动套件来提高“一分半毫”的车速，这60KW并不是一个小数目。F1的胜负，一直都是通过小数点后面的数字来决出的！因此，KERS绝非09年的“装饰品”。它不仅眼下在工程技术上给车队带来了巨大的挑战【再次强调：将KERS引入F1的难点并非技术不成熟、无法在当前实现，而是如何能让系统具有竞争力】，而且从社会发展趋势，从FIA的改革方向上考虑，更是动力战略上极其重要的第一招棋。要说明后一点，我们可能需要另一篇文章！

以上内容就是[kers系统]KERS系统深度分析 80马力的学问(附图)的相关内容介绍，喜欢侠外游戏论坛的朋友可以关注我们。
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