动能回收系统的优缺点

在FIA宽松的规则框架下，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、参数指标和方案优缺点四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”。 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！ 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。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。 所谓圆环曲面在这里就是指圆环内圈的表面形状，你可以想象出一个多纳圈，用砂子把它中央的孔塞实，之后你如果有本事把多纳圈吃干净，那么剩下的砂型就是圆环曲面了。是不是象个沙漏瓶的小腰？在这个细腰的中间截开，就是Torotrak变速器的核心——两个尖对尖的转盘，其中一个当动力输入用，另一个别无选择，就只好用来输出了。
光靠两个尖顶着肯定是传递不了动力的，更别提变速了。于是在转盘之间还安置了两到三个滚轮。两个转盘对向夹紧，就会夹住这些滚轮，输入转盘转动时，会带着滚轮转，输出转盘自然也跟着转起来。看得出，力是通过滚动摩擦传递的。那么怎样实现变速呢？只要让滚轮的轴线摆动起来就行了。开始时滚轮的一边顶着输入转盘半径较大的位置，另一边按在输出转盘靠近尖顶的地方，就是低档。随着滚轮的摆动，速比便会越来越小，而且，这个变化是连续的，即CVT。市场上常见的CVT是皮带轮+带或链条的式样，与之相比，这种圆环曲面变速器的效率更好，而且能传递更大的扭矩，Torotrak的演示车就是辆Ford的SUV，475Nm扭矩的5.4升V8发动机充分证明了这种传动方案的负载能力。Torotrak还为变速器取名IVT，即infinitely variable transmission，以示区别。 当今材料的发展使这种变速机构日臻完善。理论上，转盘和滚轮是紧紧地贴在一起的，这样才能产生摩擦力，但事实上它们并没有真的接触，这要归功于一种特别开发的长分子链摩擦液。这种液体在压力之下粘度也会大涨，不但能传递摩擦力，还能形成0.05至0.4微米的液膜，将转盘和滚轮隔开。要形成如此薄的膜，肯定也离不了精密的加工技术和精良的钢材。给Torotrak加工转盘、滚轮的是光洋精工（初和丰田工机合并，名字叫JTEKT），它的当家产品就是滚珠轴承。无独有偶，日本精工NSK也为Jatco加工类似的部件，不用说也知道NSK是干什么的。Jatco为日产制造的Extroid被称为半圆环曲面变速器，说白了就是曲面的圆弧短了点，速比变化范围只有4.36，不得不借助液力变扭器滋补一下扭力，但也不是说它无缚鸡之力，只要车子一动起来，变扭器就能立即锁住，无需再劳动了。相比之下Torotrak的底气要冲一些，它的演示机型速比跨度已经达到了6.05，所以才敢号称“无限可变”。
典型的圆环曲面变速器由两组机构串列而成，这样传递的扭力可以加倍，而尺寸也不会比一般的齿轮式变速箱更大。由于滚轮被禁锢在圆环曲面内，其转轴用不着承受任何负载。转盘受液压驱动沿轴向夹紧，而夹紧力度则由电控装置根据传递扭矩的大小来调节。 Torotrak完整的IVT变速器中，不仅有一个圆环曲面变速机构，还有一套行星齿轮。低速的时候，发动机一方面直接连到行星架，另一方面通过圆环曲面变速机构驱动太阳轮，从而实现从前进到倒车的速度连续变化，中间当然有完全停止的状态，因此称它速比无限可变。换言之，理论上其输出扭矩也可以变到无限大，控制系统通过控制速比就能克服很棘手的障碍，另一方面，速比的改变在曲轴仅转过半圈的瞬间里就能完成，所以不用担心因突然过载而损坏发动机或传动机构。只是这种状态下，按照美国CAFE工况测算，平均动力损耗超过19%，故而只用于倒车和起步。车速提高后，行星架被脱开，太阳轮和外齿圈被锁在一起，动力完全通过环形曲面变速机构传递。
再回到动能回收上来，圆环曲面装置本身肯定不能吸收、存储和释放动能，干这活儿的是一个飞轮（就是图中那个虚的大圆辊子）。Torotrak的变速装置也没有取代常规的多档齿轮式变速器，它的角色其实是连接飞轮和变速器的桥梁，通过调节速比，让动能以最优的方式在两者之间来回走动，而不是完全通过刹车盘散失掉。这种模式不但结构紧凑——Torotrak相信商业化的变速单元会轻于5公斤，而且其能量传递效率甚至高过90%，明显优于电机-蓄电池模式。F1对尺寸和重量的要求都非常严苛，如果成功的话，普及到其它领域就是轻而易举的事。
Xtrac将只提供变速单元，飞轮部分还要各车队自行开发（所以是虚的），Torotrak可以提供控制程序方面的专家意见。