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增加續航力的KERS動能回收系統介紹
  • 發布年度:2009
  • 主要類別:環保能源
  • 次要類別:電子報
  • 車輛中心 國際合作發展部/產業發展課 林宜慶

    2009年國際汽車聯盟Federation Internationale de 1 Automobile〈FIA〉,針對新年度的Formula One(F1)提出新的賽事規範,其中一項要求十支F1車隊,必需開發出搭載動能回收系統(KERS,Kinetic Energy Recovery Systems)的新賽車。在整個賽季期間,允許車隊自行決定是否採用KERS系統的賽車參加比賽。


    (1)為何要引進KERS
          在環保意識高漲的二十一世紀,以及環保界一片撻伐聲中,賽車運動始終與節能減碳的訴求背
          道而馳,更遑論是全球汽車賽事的最高殿堂F1。跟一般日常生活相較之下,F1的賽車科技已
          經漸行漸遠。為了改善普羅大眾對於F1的高噪音、高污染等印象,新的賽季要求各廠隊開發
          KERS,主要用意就是希望響應節能環保的潮流與發展趨勢。


    (2)KERS系統規範與原理
          KERS基礎原理,是通過新的技術方式將賽車的煞車能量予以儲存,而後在加速的過程中,將
          其作為除了引擎本體功率輸出之外的輔助動力,具體的使用方法較類於A1賽車的加速按鈕。
          目前已知的KERS系統分成兩種,油電混合式電能回收系統與飛輪式動能回收系統。而油電混
          合式KERS就需要搭配超級電容器以及鋰離子電池,完成電能的儲存與釋放動作。另一種飛輪
          式則是以特殊高效的方式,將動能轉換成位能,再釋放成動能作為額外的動力輸出。FIA對各
          車隊開發的KERS系统,有以下的限制:


         A.其最大輸出和輸入功率不得超過60KW(約80匹馬力),每圈的能量釋放總量不得超過
           400KJ。
         B.賽車在進站加油與換胎的過程中,不得向KERS系统增加能量。
         C.賽車引擎變速箱離合器差速器以及KERS相關系統控制機構,必需由FIA指定的ECU供應商提
           供(ECU標準化)。


    (3)電能回收與飛輪動能回收系統的說明
          A.電能回收系統
            電能回收系統主要由一台超薄型無刷電動機(功率達20匹馬力),直接與驅動軸連接後搭配
            鋰離子電池、超級電容器等電能儲存設備,完成電能回收系統的配置(如圖一)。電能回收
            系統在煞車時經由電動機累積電能,待電能儲滿後經由聯軸電動機直接輸出,提供賽車超車
            或是再加速時額外的輔助動力。

     

    圖一 HONDA車隊研發的第二代IMA電能回收系統    資料來源:HONDA

     

         B.飛輪動能回收系統
           此系統主要由一套高速飛輪、兩套固定傳動比齒輪組、CVT變速箱以及離合器構成(如圖
           二)。其結構體積緊湊,長度大約30公分,重量亦僅有24kg,是目前最具經濟效益的動能回
           收系統。
     


    圖二 Renault車隊預計採用的飛輪式動能回收系統 資料來源:FlyBrid

          主要的運作方式是賽車在煞車時,將車身動能經由CVT變速箱傳入特殊處理的飛輪,等到需要
          輔助動能輸出時再反向釋放能量,達到動能回收的目的。


    (4)電能回收與飛輪動能回收系統的優劣比較
          兩種KERS系統,代表不同車廠陣營對於賽車的設定標準。除了上述FIA大會規定的限制之外,
          還要針對賽車重量、底盤重心等競賽重點作取捨。以下簡單就兩種系統優劣做一比較。
          A.電能回收系統優勢,在於民用Hybrid油電混合車已行之多年,相關技術發展成熟;加上電動
            機強大即時的扭力輸出,使系統能量釋放可得到有效控制。其劣勢相對於飛輪式動能回收系 
            統而言,主要因素是系統體積與重量過重,除了電動機與電池之外,另外亦搭配電池與超級
            電容器模組。而電池系統的經濟效益與能量轉換比,在現行已開發的套件中性能皆不如飛輪
            系統,再加上賽車若是採用鋰離子電池,在電池本身的安全性(鋰金屬活性大,易受外部環
            境影響而發生電池短路導致意外發生)、耐高溫性能以及高電壓帶給F1賽車帶來的影響,使
            得系統需要克服的技術不易取得突破。
          B.飛輪式動能回收系統,是在既有汽車工藝技術基礎上,針對體積重量予以精進並研發出最佳
            化的配置方式。飛輪式動能回收系統主要的優勢在於製造成本低、動能轉換效率高、結構緊
            緻簡單、體積重量小、工作溫度範圍廣、安全性高且使用壽命長。較明顯的劣勢在於扭力輸
            出與能量儲存的部分受限較多,未來性能提升的空間有限。以目前2009年Formula One各
            廠隊發佈的消息整理後,分別列出各車隊預計採用的KERS系統(如表一)。

    表一 2008年賽季十大F1車隊未來將採用的KERS系統形式 資料來源:ARTC整理

    (5)技術尚未成熟,測試意外頻仍
          在2008年7月22日於赫雷兹測試日時,BMW-SUBER車隊以一輛新裝備電能回收式KERS系統
          的賽車,以及2009年版低下壓力空氣動力學套件的測試車(車型編號F107C)於當地進行三
          圈系統測試。由奧地利籍車手克莱恩駕駛的賽車完成測試回到維修站時,一名該車隊專屬的機
          械師一如往常般要將賽車推回車庫時,在接觸賽車的瞬間後仰倒地(圖三),在送到醫療中心緊
          急治療後證實遭到電擊。

     


    圖三 F1車隊測試KERS系統時發生機械技師遭電擊意外 資料來源:BMW Sauber


    這起觸電意外是經官方證實的第二起KERS測試事故,此事故後往後測試賽事上工作人員便需戴上隔離手套(如圖四)以防電擊。不久之後另一支車隊Red Bull在英國車隊總部內測試KERS時發生起火意外,事後透露是由系統中的電池故障所引起;顯見F1車隊在KERS系統技術部份還有許多亟待解決的地方,未來2009年賽季,預定搭載全新動能回收系統的賽車若要如期參賽,還有許多變數存在。


    圖四 電擊意外發生後車隊專屬技師採取相應防護措施配備橡膠手套
    資料來源:http://f1.sina.com.

    無論是電能式回收或是飛輪式動能回收系統,目前各車隊在開發電能回收式KERS系統或是飛輪動能回收KERS系統時,仍有部分關鍵技術尚未達到實際應用階段。現階段除了飛輪式KERS系統的技術瓶頸較少之外,普遍被各家車隊採用搭配超級電容器的電能式動能回收系統,要達成系統高妥善率,仍有一段時間需要克服技術上的障礙。

     

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