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文檔簡(jiǎn)介

汽車新技術(shù):能量回收系統(tǒng)

姓名

學(xué)

專業(yè)

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。

其根底原理是:通過技術(shù)手段將車身制動(dòng)能量存儲(chǔ)起來,并在汽車加速過程中

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)開展與保護(hù)環(huán)境這對(duì)?矛盾。

能源問題,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)手解決的問題。2007年,德國出臺(tái)了每公里二氧化碳排放量不得超過

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)不再有開展前

途。與此同時(shí),現(xiàn)在有的城市甚至方案只允許在市中心使用混合動(dòng)力車,這意

味著廠商在開發(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)c通過這

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)的開展有多迫切。時(shí)下,

雖然各大制造商從未達(dá)成過任何共識(shí),但已根本形成了默認(rèn)的開展思路:先從

混合動(dòng)力入手,然后向氫動(dòng)力或純電力過渡。只有這樣,汽車工業(yè)才可能有未

來。

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年說過:“世

界的趨勢(shì)止在發(fā)生改變,你將看到最明顯的是關(guān)于全球變暖問題。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)過這一趨

勢(shì),F(xiàn)1將變得落后,并最終死亡。”也許有人會(huì)認(rèn)為莫斯利的話是在危言聳聽,

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)于民用引擎沒有任何參考意義,耗資建1個(gè)1:1的風(fēng)洞開銷大

于5000萬歐元,不計(jì)全年24小時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的本錢,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)開展方向,是完全與社會(huì)脫節(jié)的,而且

隨著能源和環(huán)境問題的加劇,它正在與社會(huì)開展方向背道而馳。過去,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)開展趨勢(shì)的變化,

它的這項(xiàng)功能已越來越弱!在這種情況下,改革勢(shì)在必行,而且刻不容緩。因

為沒有任何有社會(huì)責(zé)任的人,會(huì)對(duì)采用“過時(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

行駛過程中,不可防止地會(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?。我們?cè)趧×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,通過制動(dòng)器流失的能量也越來越多。如何收利用這些珍貴

的能量,就成為了很多汽車工程師的熱門研究工程。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,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)。

開展及應(yīng)用

飛輪動(dòng)能回收系統(tǒng)

2()07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年年中開發(fā)出了一套高效率的飛輪動(dòng)能回收系統(tǒng)(見上圖)。

飛輪動(dòng)能回收系統(tǒng)的原理其實(shí)非常簡(jiǎn)單。兒時(shí)玩過回力玩具車的朋友知

道,當(dāng)我們通過向后滾動(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。FB公司的動(dòng)能回

收方案,正是采用的這種根底原理(其根底原理,即從動(dòng)能一>勢(shì)能一>動(dòng)能

的轉(zhuǎn)化過程)。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

級(jí)變速箱)和一套離合器構(gòu)成(離合器2),其中無級(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)工作過程如下:

當(dāng)賽車在制動(dòng)的過程中,車身動(dòng)能會(huì)通過無級(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

那么通過無級(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)力集合后,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:制造本錢低、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、平安穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)、可重復(fù)使用和環(huán)保。為了

時(shí):這臺(tái)超薄的電動(dòng)機(jī)扮演普逋馬達(dá)的角色啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī),并在汽車加速的過程

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

銀金屬電池中,并在汽車下一次需要?jiǎng)恿Φ倪^程中釋放出來。

電池-電機(jī)動(dòng)能回收系統(tǒng)面臨的第一個(gè)問題是電池的技術(shù)瓶頸。油電混合

系統(tǒng)已經(jīng)在民用車上擁有超過10年的開展歷史(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年的開展。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鍥氫電池,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%,

現(xiàn)在各大汽車廠商都將目光轉(zhuǎn)向了新電池類型——鋰電池。但這幾乎是一

個(gè)全新的技術(shù)領(lǐng)域,誠然,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),比方、筆記本;但是到目前為止,還沒有哪一家

汽車廠商在混合動(dòng)力系統(tǒng)上,有過大批量使用的經(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。因此說鋰電池對(duì)于汽車工業(yè)來講是一個(gè)新興的技術(shù)領(lǐng)域絕不為過。

對(duì)于民用混合車來講,使用鋰電池的技術(shù)瓶頸有二

A鋰電池第一個(gè)需要解決的問題是,如何簡(jiǎn)化管理的問題。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c但因鋰

電池允許的放電電壓幅度區(qū)間小,因此必須對(duì)目壓進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)控??珊湾洑潆?/p>

池不同的是,它不能進(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)和本錢以及系統(tǒng)復(fù)雜程度直接相關(guān)的問題。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)來保持電池的工作穩(wěn)定,但

如此一來就增加了電池的重量。這對(duì)于在質(zhì)量能量比上,本來就處于劣勢(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)未來汽車工業(yè)的奉獻(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

均帶來較大的沖擊、平安隱患多、本錢高、電池對(duì)環(huán)境污染大等等。

歐盟2012年轎車二氧化碳排放標(biāo)準(zhǔn)將

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