机械飞轮KERS摘要：介绍了汽车制动能量回收系统机械飞轮KERS的基本原理及工作过程。对KERS的主要组成系统：飞轮系统、离合器控制系统、IVT无极变速器做了详细介绍，并简要说明了KERS的安装位置。具体分析了沃尔沃量产车上机械飞轮KERS的实际应用。最后阐述了该系统的优缺点及其发展趋势。关键词：KERS；飞轮；离合器控制系统；IVT变速器引言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，这个装置就是动能回收系统KERS(KineticEnergyRecoverySystems)。KERS的基础原理是：通过技术手段将车身制动能量存储起来，并在汽车加速过程中将其作为辅助动力释放利用。目前有三种基本类型的KERS：电池-电机KERS，电驱飞轮KERS和机械飞轮KERS。本文介绍的机械飞轮动能回收系统的基础原理其实非常简单，即从车身动能－飞轮动能—车身动能的转化过程。就本身而言，飞轮储能系统并不是一个创新的产物，在其他很多领域都有广泛的应用。但我们系统的创新之处在于要在一个很小的单元内储存做够高密度的能量，而且整个系统还要足以轻巧。1机械飞轮KERS的基本原理及工作过程机械飞轮KERS的组成非常简单，它总共由：一套高转速飞轮、两套固定传动比齿轮组、一台IVT无级变速箱和一套离合器构成，另一端与动力系统连接。（如图1-1所示：FB公司的KERS系统原理图，图1-2所示：FB公司的KERS系统三维效果图。）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。系统中包含一个离合器，当飞轮转速超转时离合器脱开，保护系统。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。图1-1FB公司的KERS系统原理图图1-2FB公司的KERS系统三维图2机械飞轮KERS的主要构成系统2.1飞轮系统飞轮系统主要组件包括飞轮、包容结构、气密结构及轴承，如图2所示。图2KERS中的飞轮结构组件1.飞轮飞轮是由碳纤维缠绕的钢圈制成的，大约重5KG。目前F1赛车上的飞轮转速达到了64500rmp，可以存储60KW的能量。高转速飞轮储存的能量如果集中释放，大概能够为动力系统提供额外的80马力瞬时功率。组件2.包容结构飞轮系统的安全性是重中之重。为了防止飞轮出现碎裂的情况，需要一个非常坚固的结构来包容飞轮，飞轮的外壳要求选用密度小、强度高的复合材料，并且要进行严格的碰撞测试。FB公司在英国的Cranfield碰撞测试中心对飞轮进行了碰撞测试，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。组件3.气密结构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，研发人员最终决定将飞轮包装在一个真空盒内部，该装置可以保持容器内1×10-7帕的真空度。组件4.轴承FB公司采用的是陶瓷轴承。轴承是飞轮系统的最大挑战，困难在于润滑，以为在真空中是不能使用润滑油润滑的。该难题已经解决，但具体技术尚未透露。2.2离合器控制系统机械飞轮KERS由一套启动离合器与齿轮组负责动能回收过程与释放过程的适时切换。因此飞轮动能回收系统也称离合器飞轮传动装置（CFTKERS）如图3-1所示。车手通过拨片操纵一系列分离的齿轮与高速离合器（图3-2）来控制能量的传输，当引擎的曲轴与传动装置的输入轴相连时CFTKERS中的三个不同齿数的齿轮之一会被主齿轮箱中的一组齿轮驱动，在车轮与飞轮之间提供一系列不同的总传动比。该系统的效率取决于有多少不同的齿比可供选择。当今的F1赛车有21个不同的齿比（7个前进挡*飞轮系统中的三种不同齿数的齿轮）这意味着在一个典型的比赛状况下，能量一进一出飞轮装置将有64%的利用率。在普通的城市路况下配合使用CVT变速装置的飞轮混合动力技术将在NEDC测试中显著地提高燃油利用效率。图3-1离合器飞轮传动装置图3-2KERS中的离合器与齿轮组更进一步，我们可以使用电脑来控制适当的齿比，电脑通过一套液压装置操控离合器的开闭，可以无缝的实现从一个齿比转到另一个齿比，扭矩从工作状态无间隙的下降到零。这套液压系统在F1版本当中是与赛车本身的液压系统融为一体的，将它移植到民用车上来使用并不