挑戰油電混動(dòng) 機械飛輪式KERS動(dòng)能回收系統解析

　　作為汽車(chē)最前沿技術(shù)的演練場(chǎng)——F1方程式賽車(chē)一直備受關(guān)注，廣大車(chē)主、車(chē)迷們當中也不乏F1的忠實(shí)粉絲，隨著(zhù)F1方程式賽車(chē)在中國的家喻戶(hù)曉，電視解說(shuō)中一些對于賽車(chē)新技術(shù)的新名詞也成了大家熱議的話(huà)題。雖說(shuō)F1方程式賽車(chē)是一項不計成本的追求速度的競賽項目，但是在重重壓力下，近些年來(lái)也有著(zhù)不少“環(huán)保舉措”，最明顯的就是發(fā)動(dòng)機缸數越來(lái)越少、排量越來(lái)越小，同時(shí)還要保持動(dòng)力性能不受影響。

　　在既要環(huán)保又要動(dòng)力的雙重壓力下，“KERS”技術(shù)作為F1最先應用的“混合動(dòng)力”技術(shù)，也在電視轉播中幾乎成了提及率最高的詞匯之一。但是千萬(wàn)不要認為，KERS技術(shù)距離現實(shí)就非常遙遠，這不，近日沃爾沃成功的將F1上的KERS技術(shù)應用在了量產(chǎn)車(chē)型上，值得一提的是，技術(shù)合作方正是同時(shí)為F1車(chē)隊提供技術(shù)支持的公司。

　　通過(guò)與Torotrak與Flybrid System公司通力合作，沃爾沃聲稱(chēng)，已經(jīng)能利用此技術(shù)，實(shí)現油耗降低20%，同時(shí)普通4缸發(fā)動(dòng)機更能獲得媲美6缸發(fā)動(dòng)機的加速感。說(shuō)到這里，可能有人會(huì )問(wèn)，這不就是動(dòng)能回收+混合動(dòng)力嗎？其實(shí)這KERS系統可以界定為混合動(dòng)力技術(shù)，但是沃爾沃與F1所使用的這套KERS系統卻是基于機械結構實(shí)現的，并不同于以往的通過(guò)制動(dòng)卡鉗處回收制動(dòng)時(shí)的動(dòng)能?！皺C械”二字，意味著(zhù)什么呢？相比較復雜的電子能量轉化系統來(lái)說(shuō)，“機械”就意味著(zhù)更可靠、更廉價(jià)、更易普及，當然也意味著(zhù)結構偏臃腫……在瑞典能源局的657萬(wàn)克朗的巨額贊助扶持下，這個(gè)新一代動(dòng)能回收技術(shù)前景一派光明。那么這種機械式KERS動(dòng)能回收系統，究竟怎樣運作的呢？

60000rpm

　　這套KERS系統放置在后軸上，慣性飛輪是其最明顯的特征。在減速過(guò)程中，制動(dòng)力能夠令飛輪高速旋轉，甚至達到60000rpm的超高速！60000rpm轉速是一個(gè)什么概念？簡(jiǎn)單理解，某些發(fā)動(dòng)機的極限轉速也就是6000rpm上下，再乘以10倍呢？因此制動(dòng)回收的能量迅速轉化成飛輪的慣性動(dòng)能，當車(chē)子開(kāi)始繼續加速前進(jìn)時(shí)，飛輪的慣性又能通過(guò)特殊設計的傳動(dòng)機構傳回車(chē)輪，這樣就形成了動(dòng)能回收和釋放的完整循環(huán)。

　　現如今先進(jìn)的ECU技術(shù)可以輕易令發(fā)動(dòng)機可以在制動(dòng)時(shí)熄火，在需要時(shí)重新點(diǎn)火介入，而飛輪儲存的慣性動(dòng)能也能夠在需要時(shí)同發(fā)動(dòng)機動(dòng)力聯(lián)合釋放，或者保留到巡航速度下再持續的釋放。按照歐洲最新的汽車(chē)監測工況設計，有了KERS系統之后，相同的工況下，發(fā)動(dòng)機工作時(shí)間能夠減少近一半的時(shí)間，這也就意味著(zhù)發(fā)動(dòng)機能夠大幅減少油耗。大家有沒(méi)有注意到，飛輪KERS系統并不需要以往混合動(dòng)力車(chē)型往往依賴(lài)的碩大笨重的電池組？

　　正因為慣性飛輪只能在制動(dòng)的片刻回收能量，那么飛輪收集能量的過(guò)程將是非常有限的，飛輪KERS技術(shù)的挑戰就在于如何有效地管理好日常行駛中不斷重復的走走停停，充分利用好這些高間歇性但持久發(fā)生的制動(dòng)。換句話(huà)說(shuō)，制動(dòng)越多，就越省油，這與普通油電混合動(dòng)力車(chē)的外部特性相仿。

　　高轉速飛輪儲存的能量如果集中釋放，大概能夠為動(dòng)力系統提供額外的80馬力瞬時(shí)功率，這幾乎已經(jīng)相當于增加了一臺1.2L左右的普通汽油機了。因此有了飛輪KERS系統的車(chē)在加速性能上往往都非常突出，這也是F1方程式賽車(chē)對KERS系統鐘愛(ài)有加的原因之一。

碳纖維是輕量與緊湊的解決之道

　　既然提到是慣性飛輪，我們小時(shí)候可能都見(jiàn)過(guò)那種慣性小車(chē)，在地上反復蹭幾下車(chē)輪，輪子就能高速旋轉，這時(shí)將小車(chē)放在地上，小車(chē)就會(huì )嗖的一聲跑出去好遠。筆者更是曾經(jīng)為了探究小車(chē)加速的原理，拆掉了許多心愛(ài)的玩具。這類(lèi)玩具往往是借助巨大的金屬飛輪，非常厚重，幾乎占據了玩具自重的90%以上，才能儲存足夠多的動(dòng)能。

　　飛輪KERS系統的原理大同小異，只是實(shí)現起來(lái)不可能用那樣不切實(shí)際的做法，畢竟在乘用車(chē)上，保證足夠的輕量化與小型化，才可能讓這種技術(shù)得到普及應用。借助先進(jìn)的材料科技，相同的原理完全可以通過(guò)碳纖維材料的應用去實(shí)現。沃爾沃的飛輪KERS系統使用的碳纖維飛輪重量只有6kg，直徑20cm。如此緊湊的體積和輕巧的身段，也足以說(shuō)明為什么需要60000rpm的超高轉速才能積蓄足夠多能量。同時(shí)為了降低飛輪高速旋轉時(shí)產(chǎn)生的空氣摩擦阻力，飛輪又被套在一個(gè)真空容器中，真是煞費苦心。

局部CVT傳動(dòng)的應用

　　說(shuō)完了動(dòng)力的儲存原理，動(dòng)力的儲存和釋放又是怎樣演繹的呢？通過(guò)前面的介紹我們已經(jīng)知道，飛輪的超高轉速顯然與車(chē)輪轉速不是一個(gè)量級的，無(wú)論是誰(shuí)驅動(dòng)誰(shuí)，都需要一個(gè)超大速比的變速機構才行。在現有的汽車(chē)結構上找變速機構簡(jiǎn)直是太容易了，因此工程師設計了一套環(huán)型牽引機構與行星齒輪組結構搞定了超大速比的問(wèn)題，這其實(shí)是一套CVT無(wú)極變速傳動(dòng)系統，但是卻不同于我們傳統意義上所理解的鋼帶式CVT變速器?？傊?，結果就是這套CVT傳動(dòng)系統讓低速的車(chē)輪可以驅動(dòng)超高速飛輪儲存慣性能量，也能夠在需要的時(shí)候，從慣性飛輪中輸出能量到驅動(dòng)輪上。

　　整個(gè)過(guò)程由一套啟動(dòng)離合器與齒輪組負責動(dòng)能回收過(guò)程與釋放過(guò)程的適時(shí)切換。這樣以來(lái)，一套幾乎完全由傳統機械結構組成的飛輪KERS動(dòng)能回收系統，僅用齒輪組、碳纖維飛輪、少量電控設備就實(shí)現了原本油電混合動(dòng)力系統中所需的電池組、電動(dòng)機、齒輪組、復雜電控設備這樣龐雜機構的相同功能，并且可靠性、耐久性以及易維護性都更上一層樓。

　　這類(lèi)機械式KERS系統普及仍需時(shí)日，但是我們有足夠的理由相信，未來(lái)的“混合動(dòng)力”，將不再會(huì )是油電混合獨霸的天下。