挑戰油電混動 機械飛輪式KERS動能回收系統解析

　　作為汽車最前沿技術的演練場——F1方程式賽車一直備受關注，廣大車主、車迷們當中也不乏F1的忠實粉絲，隨著F1方程式賽車在中國的家喻戶曉，電視解說中一些對于賽車新技術的新名詞也成了大家熱議的話題。雖說F1方程式賽車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，近些年來也有著不少“環保舉措”，最明顯的就是發動機缸數越來越少、排量越來越小，同時還要保持動力性能不受影響。

　　在既要環保又要動力的雙重壓力下，“KERS”技術作為F1最先應用的“混合動力”技術，也在電視轉播中幾乎成了提及率最高的詞匯之一。但是千萬不要認為，KERS技術距離現實就非常遙遠，這不，近日沃爾沃成功的將F1上的KERS技術應用在了量產車型上，值得一提的是，技術合作方正是同時為F1車隊提供技術支持的公司。

　　通過與Torotrak與Flybrid System公司通力合作，沃爾沃聲稱，已經能利用此技術，實現油耗降低20%，同時普通4缸發動機更能獲得媲美6缸發動機的加速感。說到這里，可能有人會問，這不就是動能回收+混合動力嗎？其實這KERS系統可以界定為混合動力技術，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現的，并不同于以往的通過制動卡鉗處回收制動時的動能。“機械”二字，意味著什么呢？相比較復雜的電子能量轉化系統來說，“機械”就意味著更可靠、更廉價、更易普及，當然也意味著結構偏臃腫……在瑞典能源局的657萬克朗的巨額贊助扶持下，這個新一代動能回收技術前景一派光明。那么這種機械式KERS動能回收系統，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。在減速過程中，制動力能夠令飛輪高速旋轉，甚至達到60000rpm的超高速！60000rpm轉速是一個什么概念？簡單理解，某些發動機的極限轉速也就是6000rpm上下，再乘以10倍呢？因此制動回收的能量迅速轉化成飛輪的慣性動能，當車子開始繼續加速前進時，飛輪的慣性又能通過特殊設計的傳動機構傳回車輪，這樣就形成了動能回收和釋放的完整循環。

　　現如今先進的ECU技術可以輕易令發動機可以在制動時熄火，在需要時重新點火介入，而飛輪儲存的慣性動能也能夠在需要時同發動機動力聯合釋放，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監測工況設計，有了KERS系統之后，相同的工況下，發動機工作時間能夠減少近一半的時間，這也就意味著發動機能夠大幅減少油耗。大家有沒有注意到，飛輪KERS系統并不需要以往混合動力車型往往依賴的碩大笨重的電池組？

　　正因為慣性飛輪只能在制動的片刻回收能量，那么飛輪收集能量的過程將是非常有限的，飛輪KERS技術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生的制動。換句話說，制動越多，就越省油，這與普通油電混合動力車的外部特性相仿。

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

碳纖維是輕量與緊湊的解決之道

　　既然提到是慣性飛輪，我們小時候可能都見過那種慣性小車，在地上反復蹭幾下車輪，輪子就能高速旋轉，這時將小車放在地上，小車就會嗖的一聲跑出去好遠。筆者更是曾經為了探究小車加速的原理，拆掉了許多心愛的玩具。這類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能。

　　飛輪KERS系統的原理大同小異，只是實現起來不可能用那樣不切實際的做法，畢竟在乘用車上，保證足夠的輕量化與小型化，才可能讓這種技術得到普及應用。借助先進的材料科技，相同的原理完全可以通過碳纖維材料的應用去實現。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，也足以說明為什么需要60000rpm的超高轉速才能積蓄足夠多能量。同時為了降低飛輪高速旋轉時產生的空氣摩擦阻力，飛輪又被套在一個真空容器中，真是煞費苦心。

局部CVT傳動的應用

　　說完了動力的儲存原理，動力的儲存和釋放又是怎樣演繹的呢？通過前面的介紹我們已經知道，飛輪的超高轉速顯然與車輪轉速不是一個量級的，無論是誰驅動誰，都需要一個超大速比的變速機構才行。在現有的汽車結構上找變速機構簡直是太容易了，因此工程師設計了一套環型牽引機構與行星齒輪組結構搞定了超大速比的問題，這其實是一套CVT無極變速傳動系統，但是卻不同于我們傳統意義上所理解的鋼帶式CVT變速器。總之，結果就是這套CVT傳動系統讓低速的車輪可以驅動超高速飛輪儲存慣性能量，也能夠在需要的時候，從慣性飛輪中輸出能量到驅動輪上。

　　整個過程由一套啟動離合器與齒輪組負責動能回收過程與釋放過程的適時切換。這樣以來，一套幾乎完全由傳統機械結構組成的飛輪KERS動能回收系統，僅用齒輪組、碳纖維飛輪、少量電控設備就實現了原本油電混合動力系統中所需的電池組、電動機、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。

　　這類機械式KERS系統普及仍需時日，但是我們有足夠的理由相信，未來的“混合動力”，將不再會是油電混合獨霸的天下。