动能回收系统综述

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1、动能回收系统综述动能回收系统(Kinetic Energy Recovery Systems)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，并在赛车加速过程中将其作为辅助动力释放利用！电池-电机动能回收系统示总图抽阁打亍云帘乎通过它控制 能量在何时徉贱加律按钮标准ECU整舎电池控制元件.控制 引却KER吕系统證电机/亀动机吹樂能量时扮演宗电机聲 疚疑献切换至电动机摸我:高能屋密度锂电池 存殆堂功拭收樂的电能 为安全安液在仙箱下方现在，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

2、。 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。我们驾驶的汽车在正常行驶过程中，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

3、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。目 前基本的解决原理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。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。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

4、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，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)。原理简介飞轮动能回收系统原理图上图Flybr id司提拱的 飞轮动能回收系统原理图 右下 为CAD三维图效果国)苴踣构简 单总共由一套高转速飞轮、两 査固定传动此齿轮组”一合无级 蜚速箱和一套离合器构成窩台 器缜当務车在制动的过程中.车 势动能芸通过无级变速絹传入飞 轮，此时飞轮披驰劝、高速旋转 积蓄能呈-而当赛车蛊出弯时

5、. 飞範积蓄的能量捌通適无级变速 縞反厠释放*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，即从动能势能动能的转化过程）。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

6、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

7、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

8、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。技术原理AT本田IMA油电回含动力系统这是本田的第二代1财系统（目前已境展到第 三代）其结拘韭常简单，慕统核心呈一舍功率为 2G马力的无刷电动机（團门。它被宝装在一舍1一3 升曲直列4缸引旌和一舍无级雙速箱图2之间。【注童：电机动和境动机是直接相琏.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

9、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（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）（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

10、 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

11、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 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 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，

12、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

13、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、安全隐患多、成本高、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达到每公里130克，这一严苛的法令将让所有的汽车 厂家都会把节能减排作为重要的研究课题。相信在不远的将来，不单会投产越来越多的混合 动力车型，传统的单一燃料汽车（尤其是汽油和柴油车）都将应用更多的新科技来实现节能 减排的目标。而在我国，F3DM等混合动力车型的开发面世，也标志着我国自主品牌掌握了 生产能量回收系统的技术，我们希望能量回收系统能早日出现在国产的单一燃料车型上。