F1中部分车队所装的KERS系统是怎样将动能回收的？加装KERS系统有那些好处？有没有什么弊端？

【专家解说】：动能回收系统 电池-电机动能回收系统示意图　　动能回收系统是FIA在F1赛车上使用的一项新技术,英文缩写KERS. 　　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，必将面临被淘汰的危险。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，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。 　　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”。 　　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)。 　　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！ 　　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。 　　现在，第一个商业化的产品已在开发中，Xtrac获得了Torotrak的专利授权，将利用后者的圆环曲面传动方案，开发高效、紧凑、速比连续可变的传动装置，在F1赛车上实现动能回收的设想。而且我们也很容易预见，它会出现在普通的道路车辆上。