【原】聊聊用在F1賽車(chē)上的ERS能量回收系統(tǒng)

我愛(ài)汽車(chē) 2022-03-10

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近幾年F1被吐槽得挺厲害，說(shuō)它背離了民用沒(méi)有存在的意義，我個(gè)人認(rèn)為吧，只有走在大家的認(rèn)識(shí)的前面，把“什么鬼”做成“好牛X”才是我們所崇拜的F1。每一個(gè)被民用的F1技術(shù)在成熟前，有誰(shuí)知道這東西有多值得讓人為之努力？關(guān)于堅(jiān)持不懈終能有機(jī)會(huì)成功的雞湯我看有些人得好好地來(lái)一碗了。

言歸正傳，到底這兩年的F1在倒騰什么呢，錢(qián)都燒哪去了？我聽(tīng)見(jiàn)有人說(shuō)了，（“又不是燒你的錢(qián)你緊張啥？”…… 這問(wèn)題問(wèn)得我尷尬病都犯了，雖然的確燒的不是我的錢(qián)，但是……我就愛(ài)問(wèn)你管你管我你管我?。。┦堑模?strong>ERS，也就是Energy Recovery System的簡(jiǎn)稱(chēng)，這是一個(gè)包含了動(dòng)能回收（ERS-K）和熱能回收（ERS-H）的能量回收系統(tǒng)。

● ERS是什么？

從圖上可以發(fā)現(xiàn)，這套動(dòng)力單元比平時(shí)我們常見(jiàn)的動(dòng)力單元要多出了四樣部件：儲(chǔ)能電池、動(dòng)能電機(jī)（MGU-K）和熱能電機(jī)（MGU-H）和控制單元。

撇開(kāi)不明覺(jué)厲的上圖，簡(jiǎn)單講講這動(dòng)能回收的是來(lái)自哪里的能量，熱能回收的又是來(lái)自哪里的能量。

動(dòng)能回收系統(tǒng)（ERS-K）回收的是剎車(chē)的時(shí)候所浪費(fèi)的動(dòng)能，汽車(chē)不是玩具車(chē)你推得快他跑得快，你想它慢就推慢點(diǎn)，你想它停就停止用手推它這樣的，剎車(chē)不是切斷發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力，而是切斷傳動(dòng)軸輸送到車(chē)輪的動(dòng)力，當(dāng)剎車(chē)的時(shí)候引擎動(dòng)力是被浪費(fèi)的，所以這部分的回收潛力和價(jià)值非常大。

熱能回收系統(tǒng)（ERS-H）顧名思義是回收熱能的，這個(gè)熱量來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣。這些發(fā)動(dòng)機(jī)的熱能量是很大的，然而被利用的熱能僅有30%- 40%，剩下的熱能都以泵氣、機(jī)械、冷卻不完全燃燒以及排氣能等被損耗掉，排氣的熱損失占了很大一部分，MGU-H的作用就是將排氣熱損失的回收利用，在日常生活中，它的回收主要可以作用在我們高速行駛的時(shí)候。

一句話總結(jié)以上的內(nèi)容就是：動(dòng)能回收系統(tǒng)（ERS-K）是回收來(lái)自剎車(chē)所浪費(fèi)的動(dòng)能的，ERS-H是回收來(lái)自廢氣的熱能。所以能量回收系統(tǒng)ERS到底把那些能量回收到哪兒去了呢？

看到這里想必大家應(yīng)該都知道MGU-K和MGU-H這兩臺(tái)電機(jī)都是將動(dòng)能/熱能轉(zhuǎn)化為電能的機(jī)器，所以?xún)?chǔ)存容器就是電池了，在這套系統(tǒng)里，我們管它叫ES，也就是Engery Store的簡(jiǎn)稱(chēng)。這塊電池在F1整個(gè)動(dòng)力單元上重量?jī)H占了20kg，電機(jī)的輸出功率達(dá)到120kw。能量回收以后通過(guò)ERS控制單元管理能量的輸入、輸出以及控制動(dòng)能回收系統(tǒng)直接向動(dòng)能回收系統(tǒng)直接輸出能量。

兩個(gè)能量回收電機(jī)的安裝位置分安裝在如圖的位置，MGU-K安裝在曲軸附近位置，與曲軸相連。MGU-H安裝在渦輪器附近位置，與渦輪同軸。

動(dòng)能回收電機(jī)（MGU-K）工作（回收動(dòng)能）時(shí)，曲軸通過(guò)齒輪將動(dòng)力傳輸?shù)诫姍C(jī)。

熱能回收電機(jī)（MGU-H）工作（回收熱能）時(shí)，渦輪增壓器工作的同時(shí)，帶動(dòng)同軸的熱能回收電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

● ERS的工作原理

說(shuō)得這么神，那么這個(gè)能量回收系統(tǒng)是在什么情況下回收并利用能量的呢？前方本文高能內(nèi)容預(yù)警。

下面筆者在加速、減速、超車(chē)、出減速區(qū)這四個(gè)比較常見(jiàn)典型的行車(chē)狀態(tài)來(lái)解釋這個(gè)牛X轟轟的ERS是怎么讓強(qiáng)者更強(qiáng)。

上文有提過(guò)，剎車(chē)的時(shí)候發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)能是被浪費(fèi)的，當(dāng)有了動(dòng)能回收系統(tǒng)的存在后，原本浪費(fèi)掉的那部分動(dòng)能在剎車(chē)的時(shí)候被回收。動(dòng)能回收系統(tǒng)（MGU-K）與曲軸連接，在剎車(chē)的時(shí)候，動(dòng)力從曲軸輸出，通過(guò)一系列齒輪傳動(dòng)，將動(dòng)力傳送到MGU-K，然后再通過(guò)動(dòng)能回收系統(tǒng)控制器（CE）將能量?jī)?chǔ)存到電池（ES）。

加速的時(shí)候ERS一般會(huì)根據(jù)引擎的需要分成兩種工作情況，一種是需要給電池充電，另一種是不需要給電池充電。如上圖，藍(lán)色的箭頭所指就是給電池充電工作狀態(tài)的路徑，而紅色的箭頭所指則是在熱能回收電機(jī)回收了熱能以后，能量不經(jīng)過(guò)電池，直接提供給動(dòng)能回收系統(tǒng)（MGU-K），以快速提供給發(fā)動(dòng)機(jī)使用。

關(guān)于此處出減速區(qū)，筆者需要解釋解釋?zhuān)梢允?.出彎，2.出減速帶，3.“前方路口有違章測(cè)速”以后……

通過(guò)以上解釋?zhuān)蠹覒?yīng)該都能理解車(chē)輛這時(shí)是一個(gè)由高速－低速－高速的運(yùn)行狀態(tài)，由于減速后排氣相應(yīng)的減少，渦輪開(kāi)始減速，但在隨后開(kāi)始出減速區(qū)需要加速的時(shí)候，渦輪增壓器無(wú)法快速進(jìn)入增壓狀態(tài)，從而導(dǎo)致了發(fā)動(dòng)機(jī)增壓過(guò)晚，也就是我們常說(shuō)的渦輪遲滯現(xiàn)象，而熱能回收系統(tǒng)在這個(gè)時(shí)候釋放能量給熱能電機(jī)，帶動(dòng)與之同軸的渦輪迅速進(jìn)入增壓狀態(tài)，以消除渦輪遲滯，它的最高轉(zhuǎn)速能達(dá)到125000rpm。

由于超車(chē)的時(shí)候需要更大的動(dòng)力輸出，當(dāng)加速的需求過(guò)高的時(shí)候，電池會(huì)釋放電能提供給動(dòng)能回收系統(tǒng)，與此同時(shí)，熱能回收系統(tǒng)所回收的能量也直接提供給動(dòng)能回收系統(tǒng)，從而滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)更強(qiáng)的動(dòng)力需求，完成超車(chē)。

● 結(jié)語(yǔ)：

看起來(lái)似乎很簡(jiǎn)單的一個(gè)系統(tǒng)，動(dòng)能回收系統(tǒng)更是早已民用，為什么F1還要去大費(fèi)資金去玩？這并不是能從整個(gè)能量回收系統(tǒng)（ERS）中單獨(dú)來(lái)討論的，在這臺(tái)系統(tǒng)中從上文的介紹就可以知道，ERS-K和ERS-H的工作配合是密不可分的，相互配合的。同時(shí)ERS-H的轉(zhuǎn)速可達(dá)到125000rpm，要知道超過(guò)十萬(wàn)轉(zhuǎn)速的電機(jī)在工業(yè)領(lǐng)域還是一張白紙，并且還是在如此高溫的環(huán)境下工作，這對(duì)電機(jī)更是很大一項(xiàng)考驗(yàn)。

例如2015賽季邁凱輪本田車(chē)隊(duì)就因此在賽場(chǎng)上頻頻退賽，積分歷史最差也是不可避免的，因?yàn)橹灰獰崮芑厥障到y(tǒng)一出問(wèn)題對(duì)整個(gè)動(dòng)力單元的影響是巨大的，對(duì)引擎開(kāi)發(fā)商來(lái)說(shuō)，掌握了這個(gè)技術(shù)就是能玩轉(zhuǎn)整個(gè)賽季的節(jié)奏，比如梅賽德斯-奔馳車(chē)隊(duì)。

在這樣的一個(gè)系統(tǒng)加入規(guī)則中，讓很多的引擎制造商望而卻步，也降低了比賽精彩程度，必然會(huì)流失一部分的觀眾，但不得不說(shuō)，克服了困難以后這項(xiàng)技術(shù)于民用領(lǐng)域是一項(xiàng)巨大的進(jìn)步，對(duì)于未來(lái)汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展有著很巨意義，究竟是何取舍還得看FIA的了。