汽車應(yīng)用創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽

1、KERS系統(tǒng)系統(tǒng)一、一、KERS系統(tǒng)的簡單介紹系統(tǒng)的簡單介紹二、二、KERS系統(tǒng)的技術(shù)方案系統(tǒng)的技術(shù)方案三、小組觀點(diǎn)及設(shè)想三、小組觀點(diǎn)及設(shè)想一、一、KERSKERS系統(tǒng)的簡單介紹系統(tǒng)的簡單介紹KERS是動(dòng)能回收系統(tǒng)(Kinetic Energy Recovery Systems)的英文縮寫?；A(chǔ)原理是：通過技術(shù)手段將車身制動(dòng)能量存儲(chǔ)起來，并在車輛加速過程中將其作為輔助動(dòng)力釋放利用。KERSKERS的由來的由來2008年，F(xiàn)IA發(fā)布了2009年世界一級方程式錦標(biāo)賽將在動(dòng)力系統(tǒng)上進(jìn)行一次重大改革、引入旨在提高能效利用的動(dòng)能回收系統(tǒng)(KERS)。由此，KERS被大家廣為熟知。KERSKERS的由來的

2、由來由于現(xiàn)在F1的技術(shù)發(fā)展方向是與社會(huì)脫節(jié)的，并且隨著能源和環(huán)境問題的加劇，它正在與社會(huì)發(fā)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)源地而現(xiàn)在，這項(xiàng)功能越來越弱。KERS，正式F1順應(yīng)這一社會(huì)趨勢，保持先進(jìn)性邁出的第一步。二、二、KERSKERS系統(tǒng)技術(shù)方案系統(tǒng)技術(shù)方案1、飛輪動(dòng)能回收系統(tǒng)2、電池電機(jī)動(dòng)能回收系統(tǒng)1 1、飛輪動(dòng)能回收系統(tǒng)、飛輪動(dòng)能回收系統(tǒng)1 1、飛輪動(dòng)能回收系統(tǒng)、飛輪動(dòng)能回收系統(tǒng)2007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-克羅斯專門在銀石組建了一家名叫“Flybrid Systems LLP”的公司（簡稱FB公司）

3、。Flybrid是兩個(gè)英語單詞飛輪(flywheel)和混合動(dòng)力(hybrid)的組合詞。1 1、飛輪動(dòng)能回收系統(tǒng)、飛輪動(dòng)能回收系統(tǒng)它由一套高轉(zhuǎn)速飛輪、兩套固定傳動(dòng)比齒輪組、一臺(tái)CVT(無級變速箱)和一套離合器構(gòu)成(離合器2)其中無級變速箱由Torotrak公司提供，傳動(dòng)系統(tǒng)由Xtrac公司提供。當(dāng)車輛在制動(dòng)的過程中，車身動(dòng)能會(huì)通過無級變速箱傳入飛輪，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)車輛在出彎時(shí)，飛輪積蓄的能量則通過無級變速箱反向釋放，并在主變速箱的輸出端和引擎動(dòng)力匯合后，作為推動(dòng)力傳遞給后軸。整套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單緊湊，由寫入SECU(標(biāo)準(zhǔn)ECU)的配套程序進(jìn)行控制。在外形上，

4、可根據(jù)用戶需求，做針對性調(diào)整。也就是說可以具有不同的外形選擇。1 1、飛輪動(dòng)能回收系統(tǒng)、飛輪動(dòng)能回收系統(tǒng)對于F1賽車來講每一公斤的質(zhì)量都是有用的。為了達(dá)到盡可能高的能量密度比，使系統(tǒng)對賽車的配重影響降至最低，采用飛輪動(dòng)能回收方案需要將蓄能主體飛輪做的盡可能的小，但這就有可能影響能量的儲(chǔ)存。解決方案是提高轉(zhuǎn)速。目前的試制品飛輪轉(zhuǎn)速已達(dá)到64500轉(zhuǎn)/分，這是一個(gè)近乎瘋狂的數(shù)字。但同時(shí)新問題又出現(xiàn)了，因?yàn)楦咿D(zhuǎn)速意味著系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生巨大的熱量和面臨巨大的風(fēng)阻損耗。解決方案是將飛輪包裝在一個(gè)真空盒內(nèi)部，內(nèi)部氣壓可達(dá)1x10-7Pa，這相當(dāng)于一個(gè)氣體分子需要運(yùn)行45KM才能和另外一個(gè)相遇。并且，為了防止軸承

5、在向飛輪輸入和輸出動(dòng)力的過程中氣密性不被破壞，解決方案是用專門的軸密封技術(shù)予以解決。1 1、飛輪動(dòng)能回收系統(tǒng)、飛輪動(dòng)能回收系統(tǒng)1 1、飛輪動(dòng)能回收系統(tǒng)、飛輪動(dòng)能回收系統(tǒng)除此之外，高轉(zhuǎn)速的飛輪帶來的挑戰(zhàn)不止這些。首先，64500轉(zhuǎn)/分意味著飛輪自身在運(yùn)動(dòng)的過程中，將承受著巨大的G值；第二，這樣的高轉(zhuǎn)速是普通的軸承系統(tǒng)無法承受的，因?yàn)闊o法在真空內(nèi)部給軸承潤滑。解決這兩個(gè)問題首先是制造材料，采用的是碳纖維和鋼的制造材料。剩下的內(nèi)容未能查到相應(yīng)的資料。飛輪動(dòng)能回收方案面臨的最后一道考驗(yàn)是如何保證超高轉(zhuǎn)速的飛輪安全可靠。所以需要進(jìn)行嚴(yán)格的碰撞測試。而上述提到的所有問題，都將是在今后的設(shè)計(jì)中集中解決的問題

6、。1 1、飛輪動(dòng)能回收系統(tǒng)、飛輪動(dòng)能回收系統(tǒng)1 1、飛輪動(dòng)能回收系統(tǒng)、飛輪動(dòng)能回收系統(tǒng)技術(shù)方案：飛輪動(dòng)能回收系統(tǒng)技術(shù)原理：通過飛輪存儲(chǔ)并釋放能量飛輪材質(zhì)：鋼/碳纖維飛輪質(zhì)量：5KG飛輪轉(zhuǎn)速：64500轉(zhuǎn)/分最大功率：60KW最大扭矩：130牛.米(理論)最大能儲(chǔ)：400千焦系統(tǒng)總重：24KG系統(tǒng)體積：13升系統(tǒng)效率：6570%飛輪動(dòng)能回收系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)包括：制造成本低、效率高、結(jié)構(gòu)簡單、體積緊湊、重量輕、工作溫度區(qū)間廣、安全穩(wěn)定、壽命長、可重復(fù)使用和環(huán)保。目前已知的弱點(diǎn)是：扭矩輸出小和能量存儲(chǔ)有限。另外還有技術(shù)欠成熟等。1 1、飛輪動(dòng)能回收系統(tǒng)、飛輪動(dòng)能回收系統(tǒng)在民用車領(lǐng)域稱為油電混合動(dòng)力系統(tǒng)?，F(xiàn)

7、已發(fā)展到百花齊放的地步，從豐田的HSD、本田的IMA，到寶馬、前戴-克、通用合作開發(fā)的雙模式混合動(dòng)力、再到斯太爾和西門子攜手研發(fā)的HYSUV?；A(chǔ)原理相同，但具體技術(shù)方案和實(shí)際效果卻存在很大的差異。2 2、電池、電池電機(jī)動(dòng)能回收系統(tǒng)電機(jī)動(dòng)能回收系統(tǒng)2 2、電池、電池電機(jī)動(dòng)能回收系統(tǒng)電機(jī)動(dòng)能回收系統(tǒng)工作過程為：工作過程為：當(dāng)汽車點(diǎn)火時(shí)當(dāng)汽車點(diǎn)火時(shí)，這臺(tái)超薄的電這臺(tái)超薄的電動(dòng)機(jī)扮演普通馬達(dá)的角色啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，并在動(dòng)機(jī)扮演普通馬達(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)汽車加速的過程中作為輔助動(dòng)力協(xié)助發(fā)動(dòng)機(jī)工作工作；而當(dāng)汽車制動(dòng)時(shí)，它會(huì)立即切換到發(fā)而當(dāng)汽車制動(dòng)時(shí)，它會(huì)立即切換到發(fā)電

8、機(jī)模式電機(jī)模式(即由電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)化為發(fā)電機(jī)即由電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)化為發(fā)電機(jī))，將動(dòng)，將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能存儲(chǔ)在最高電壓能轉(zhuǎn)化為電能存儲(chǔ)在最高電壓158伏的鎳金伏的鎳金屬電池中，并在汽車下一次需要?jiǎng)恿Φ倪^程屬電池中，并在汽車下一次需要?jiǎng)恿Φ倪^程中釋放出來。中釋放出來。該系統(tǒng)主要由3個(gè)關(guān)鍵部分組成：電子馬達(dá)、電池以及能量控制單元。電池的技術(shù)瓶頸如何保證安全如何實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量功率比、高質(zhì)量能量比2 2、電池、電池電機(jī)動(dòng)能回收系統(tǒng)電機(jī)動(dòng)能回收系統(tǒng)（1）電池的技術(shù)瓶頸目前，大多數(shù)油電混合動(dòng)力車型采用的是鎳氫電池，雖然技術(shù)成熟，但是弱點(diǎn)明顯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%。這個(gè)充電幅

9、度已經(jīng)是鎳氫電池的極限了。因此現(xiàn)在各大汽車廠商都將目光轉(zhuǎn)向了新電池類型鋰電池。這是一個(gè)全新的技術(shù)領(lǐng)域。使用鋰電池的技術(shù)瓶頸有二：一是如何簡化管理的問題。二是對電化學(xué)過程的溫度很敏感，必須在2540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。自燃危險(xiǎn)鋰離子電池本身是很不安全的，如果溫度過高，比如當(dāng)充電過量時(shí)，將導(dǎo)致電池內(nèi)混合材料自燃。解決這一問題是尋找新的電極材料，但這又會(huì)陷入惡性循環(huán)，導(dǎo)致成本增加。（2）如何保證安全高電壓為了提高輸出功率，會(huì)采用高壓手段。而高壓就意味著高危險(xiǎn)性！安放位

10、置要選擇一個(gè)既防止其漏電，又要避免其在撞擊中受到擠壓。（3）如何實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量功率比、高質(zhì)量能量比這個(gè)問題依舊出在電池上，雖然本田IMA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)精簡，但加上電池及管理系統(tǒng)后，便使質(zhì)量大大增加。豐田第二代普瑞斯電池重達(dá)53.3公斤。寶馬的電池-電機(jī)動(dòng)能回收系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)技術(shù)方案：電池-電機(jī)動(dòng)能回收系統(tǒng)技術(shù)原理：通過電池存儲(chǔ)并釋放能量最大功率：60KW最大扭矩：180牛米最大能儲(chǔ)：400千焦系統(tǒng)總重：40KG系統(tǒng)效率：35-45%2 2、電池、電池電機(jī)動(dòng)能回收系統(tǒng)電機(jī)動(dòng)能回收系統(tǒng)電池-電機(jī)動(dòng)能回收系統(tǒng)的優(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))、對未來汽車工業(yè)的貢獻(xiàn)極大。電池-電

11、機(jī)動(dòng)能回收系統(tǒng)的弱點(diǎn)是：系統(tǒng)沉、體積大、對車身布局和配重均帶來較大的沖擊、安全隱患多、成本高、電池對環(huán)境污染大等等。2 2、電池、電池電機(jī)動(dòng)能回收系統(tǒng)電機(jī)動(dòng)能回收系統(tǒng)三、小組觀點(diǎn)及設(shè)想三、小組觀點(diǎn)及設(shè)想當(dāng)我第一次聽說F1要引進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)的時(shí)候，我就覺得這是世界發(fā)展史上必然要經(jīng)歷的一個(gè)歷史時(shí)期。隨著人類對地球的不斷破壞，溫室效應(yīng)等嚴(yán)重的環(huán)境問題日益嚴(yán)重，那么節(jié)能減排、盡可能的開發(fā)環(huán)保項(xiàng)目更是當(dāng)下社會(huì)的發(fā)展趨勢。KERS系統(tǒng)正是由此孕育而生的。通過以上的介紹，我們得知KERS系統(tǒng)的第二種模式電池-電機(jī)動(dòng)能回收系統(tǒng)，已經(jīng)在民用車領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展到很高的水平。于是，我們設(shè)想將KERS系統(tǒng)的第一種方式飛輪動(dòng)能回收系統(tǒng)，運(yùn)用到民用車領(lǐng)域?；蛘咄ㄟ^這種系統(tǒng)的基本原理，引發(fā)在別的汽車系統(tǒng)上的發(fā)明與創(chuàng)新