本田IMA轻混合动力

1997年，本田（Honda）公司开发出第一代IMA（Integrated Motor Assist）系统。1999年12月，搭载IMA系统的Insight在美国正式上市，本田成为第一个在北美销售混合动力车的公司。2003年，装配第二代IMA系统的四门小型轿车civic投放市场，深受消费者欢迎。本田雅阁混合动力车成为第三代IMA系统装备起来的混合动力中型轿车，也成为世界上第一款混合动力中型轿车。

本田的IMA（Integrated Motor Assist）系统是一款轻度混合动力系统。它主要由组成一个1.3-literi-VTEC 4-cylinder汽油机，一个高功率的超薄永磁同步电动机，一个无级变速器（CVT）和一个智能动力单元（IPU -Intelligent Power U-nit）。IPU由一个动力控制单元（PCU - Power con-trol Unit ），一组高性能镍氢电池和一个制冷单元组成。汽油机和电机布置在车的前部，智能动力单元布置在车的后部。

思域(civic)的混合动力采用了一个20马力的电动机，它与发动机曲轴固定在一起，安装在1.3发动机和CVT无级变速器之间，它所输出的动力可以直接传送到驱动轮上，减少了一次能量的传递提高了传递效率。当车辆的速度低于13公里/小时的时候，思域混合动力的全部4个气缸都会停止工作，车辆只由电动机负责驱动。

除了可以关闭全部4个气缸的气门以外，新思域混合动力车还可以控制气门正时、升程，从而让发动机实现低转速运转和高转速运转两种状态。以上3种状态之间的切换是靠发动机的i-vtec系统来实现的。这个技术源自本田的汽油发动机。每个气缸都配备了5个摇臂和3个系统油路，通过油压控制摇臂的连接或解除，根据行驶状态分3级控制气门。发动机在中低速运转时，进气侧的摇臂连接，使用低速凸轮轴驱动，而排气侧的摇臂也连接，驱动气门；当发动机高速运转时，进气侧摇臂转换到高速凸轮轴驱动；当气缸休止时，进气侧和排气侧的摇臂同时解除连接，气门保持气缸密封状态。这样发动机可以得到最佳的空燃比的可燃混合气，使发动机的动力性，经济性得到提高，同时减少污染物的排放。

IMA系统检测当车辆处于怠速状态时，会自动关闭发动机；而一旦松开制动踏板，发动机则立刻投入运行，这之间大概有不到1秒的间隔；当车辆起步加速时，发动机的低速凸轮控制进气阀，加上电动马达的辅助，使系统整体产生充足的扭矩；当车辆急加速时，高速凸轮接管对进气阀的控制，增大发动机的输出功率，发动机与马达共同发挥作用；当车辆低速巡航行驶时，发动机停止燃烧，只靠电动马达驱动行驶，发动机气门关闭，气缸密封，降低排气时产生的阻力和泵气损失；当车辆缓慢加速或高速巡航行驶时，只靠发动机驱动行驶，使用低转速凸轮，实现低油耗行驶。当车辆减速行驶时，发动机停止燃烧，气门全部关闭马达变成发电机，高效地回收制动过程中释放的动能。

IMA系统工作过程
　　a.启动加速：发动机以低速配气正时状态运转，同时电机提供辅助能量。
　　b.急加速状态：发动机以高速配气正时状态运转，此时电池会提供额外的功率来给电机与发动机共同驱动车辆，改善整车的加速性能，直到电池状态监控模块（BCM—Battery Condition Module）发现电池电量不足，此时电池充电命令是关闭的。
　　C.低速巡航状态：发动机的四个气缸阀门全部关闭，燃烧停止，车辆以纯电动状态驱动车辆。
　　d.一般加速或高速巡航：发动机以低速配气正时状态运转单独驱动车辆。
　　e.减速状态：发动机关闭，电动机此时作为一个发电机。在电动控制传输系统的帮助下将机械能最大限度的转化为电能，存储到电池组中。
　　f.停车状态：发动机自动关闭，来减少燃料损失和排放。

惯性玩具

一种以机械运动的惯性为动力的机动玩具。一般在机芯中装有飞轮，以外力作用于玩具，驱动飞轮高速旋转，积聚能量，产生惯性。当外力作用停止后，玩具可凭借惯性持续运动一段时间。因为惯性玩具大部分依靠摩擦来驱动飞轮旋转，故又称摩擦玩具。
惯性玩具的外形以车辆、枪类居多。　
早在公元前3000～前2000年的古埃及文物中已有陀螺。它是一种古老的惯性玩具。中国宋代称陀螺为千千。现在民间流传的陀螺呈倒圆锥形，用鞭抽打，使之旋转。19世纪，欧洲开始生产近代惯性玩具。当时德国生产的惯性玩具汽车,外壳用薄铁皮冲压而成,机芯装有铅铸的飞轮。中国从20世纪30年代开始生产近代惯性玩具。最早生产的品种有“荷花人”。外形是一朵含苞待放的荷花。当揿动手柄时,齿轮带动荷花旋转,花瓣因离心力作用展开，露出藏在花蕊中的人物。另有相同原理的“小鸡出壳”惯性玩具。60年代起，中国有了专门生产惯性玩具机芯的工厂。机芯中的飞轮由铅铸改为铁片叠合制成，既简化了生产工艺又降低了产品成本。　
惯性玩具根据外力做功方式,可以分为以下3种。①推动式惯性玩具：外形以车辆为主。用手握住车身向前推动数下，车辆即凭惯性向前行驶。有的车辆里装有纸制发声器，受机芯带动而发声。②揿动式惯性玩具：外形以枪类为主。用手连续揿动板手，玩具即凭惯性发出声响、火花或作出相应动作。③摇动式惯性玩具：摇动玩具某一部件，即引起惯性，发生相应动作效果。此类玩具现已很少生产。

FIA改革框架

1，使用2.2升V6涡轮增压引擎，转速限制在10000转/分，仅超过当前引擎转速的一半； 　　
2，使用燃油流量限制； 　　
3，使用能量回收系统，包括制动能量回收和引擎余热回收 　　
4，在正常运行状态下，输出功率与当前的引擎(约750bhp)相近； 　　
5，电动机在短期内提供190bhp的额外动力输出，以提供更多的超车机会； 　　
6，2010年到2011年之间，将燃油效率提高30%。 　　
7，在能量配额上，每年降低2.5%。从而通过使用更少的能量来确保预定效率的提高，而不是通过使用同样的能量跑的更快。 　　
8，生物燃油包含10%的乙醇 　　
9，如果有要求，动力系统制造商需以边际成本价将产品提供给至少一支其他车队。所谓边际成本价指没有利润率或包含开发成本。 　　
10，限制底盘和车身，以控制住赛车的圈速； 　　
11，初期引擎/能量回收系统拥有大量的技术发展自由，从2012年开始，实施冻结限制。

能量回收系统（KERS系统）

现在用在F1的能量回收系统（KERS系统）有两种。一种是以雷诺为代表的飞轮动能回收系统，另一种是电池-电机动能回收系统(民用领域叫油电混合动力系统)这种系统日系车队有相当长的研发历史，并在世界处于领先地位，也是现在大多数车队研发的方向。


什么是KERS？
　　KERS是动能回收系统(Kinetic Energy Recovery Systems)的英文缩写。其基础原理是：通过技术手段将车身制动能量存储起来，并在赛车加速过程中将其作为辅助动力释放利用！具体的使用方法可能模仿A1的加速按钮来实现。

飞轮动能回收系统的原理

飞轮动能回收系统的原理其实非常简单。这有点像惯性玩具车（一种以机械运动的惯性为动力的机动玩具。一般在机芯中装有飞轮，以外力作用于玩具，驱动飞轮高速旋转，积聚能量，产生惯性。当外力作用停止后，玩具可凭借惯性持续运动一段时间）。FB公司的动能回收方案，正是采用的这种基础原理，把制动的能量转化为KERS飞轮的动能，在加速时释放出来。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！


技术难点

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。目前，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。
　　希尔顿和克罗斯最终决定将飞轮包装在一个真空盒内部，按照该公司的说法，内部气压可达1x10-7帕。这到底是一个怎样的概念呢？乔恩-希尔顿表示，这相当于一个气体分子需要运行45KM才能和另外一个相遇。不过想的到还得做得到，将飞轮置身真空盒的确可以解决生热和风阻损耗的问题，但如何防止轴承在(向飞轮)输入和输出动力的过程中，气密性不被破坏呢？新的难题再次诞生！在现有技术下，电转换是种可选方案，但能量损失太严重。结果这两位工程师还是找到了解决之道，他们发明了创新的轴密封技术，现已申请专利。　
　　但高转速带来的挑战还不只是这些，首先，64500转/分意味着飞轮自身在运动的过程中，将承受着巨大的G值，这正是飞轮要采用碳纤维和钢制造的原因，第二，64500转/分的转速并非普通的轴承系统能够承受，因为根本无法在真空内部给轴承润滑。但希尔顿和克罗斯还是做到了，只是没有公布其中的奥秘。
　　飞轮动能回收方案面临的最后一道考验是如何保证超高转速的飞轮安全可靠，为此，它需要像F1赛车的鼻锥一样进行严格的碰撞测试。去年8月29日，FB公司在英国的Cranfield碰撞测试中心对飞轮进行了碰撞测试，Cranfield是FIA认可的碰撞试验室。FB公司反映他们的飞轮在峰值减速度超过20G的情况下，仍完好无损，事后仍能继续胜任高转速工作。

FB公司飞轮动能回收系统技术参数预览

技术方案：飞轮动能回收系统
　　技术原理：通过飞轮存储并释放能量
　　飞轮材质：钢/碳纤维
　　飞轮质量：5KG
　　飞轮转速：64500转/分
　　最大功率：60KW(FIA规定上限)
　　最大扭矩：130牛.米(理论)
　　最大能储：400千焦
　　系统总重：24KG
　　系统体积：13升
　　系统效率：65～70%

FB公司飞轮动能回收系统优缺点

　优点：制造成本低、效率高、结构简单、体积紧凑、重量轻、工作温度区间广、安全稳定、寿命长、可重复使用和环保

1)功率相同，飞轮动能回收系统的尺寸和重量只有电池-电机动能回收系统的一半
　　2)功率相同，造价只有电池-电动回收系统系统的1/4，
　　3)制造材料容易，易回收。
缺点：扭矩输出小和能量存储有限，技术欠成熟

电池-电机动能回收系统原理

电池-电机动能回收系统在其实就是民用车中称为混合动力系统。以本田的IMA系统为例，来讲解电池-电机动能回收系统的原理。这是一套最简单的油电混合动力系统。

　 如图所示，这是本田的第二代IMA系统(目前已发展到第四代)。其结构非常简单，系统核心是一台功率为20马力的无刷超薄电动机。它被安装在一台1.3升的直列4缸引擎和一台无级变速箱之间注意：电机动和发动机之间是直接相连，无离合器。工作过程如下：
　　当汽车点火时：这台超薄的电动机扮演普通马达的角色启动发动机，并在汽车加速的过程中，作为辅助动力协助发动机工作。而当汽车制动时，它会立即切换到发电机模式(即由电动机转化为发电机)，将动能转化为电能存储在最高电压158伏的镍金属电池中，并在汽车下一次需要动力的过程中释放出来。
　　F1车队正在研发的电池-电机动能回收系统基础原理与其相同(主要指充电和放电过程)，但效率会更高。

技术难点

电池的技术瓶颈

油电混合系统已经在民用车上拥有超过10年的发展历史(1997年丰田推出了全球首款油电混合动力车普瑞斯，本田在1999年推出自己的第一款混合动力车Insight)，与之配套的电池技术也历经了近10年的发展。但是到目前为止，电池技术的效能仍然非常低。
　　目前，大多数油电混合动力车型主要是采用的镍氢电池，这种电池虽然技术成熟，但是能量密度和功率密度低。丰田普瑞斯的电池为保证使用寿命，充电幅度不能大于80%。虽然F1赛车的电池可能不需要考虑像民用车一样的长寿命(准确的讲，FIA现在还没有制定相关规则)，但即使达到百分百镍氢电池的能量密度还是很低。
　　因此现在各大汽车厂商都将目光转向了锂电池。根据目前掌握的信息，几乎所有选用电池-电机动能回收系统的F1车队，都是使用的这种类型的电池，但锂电池在汽车方面的应用几乎是一个全新的技术领域，到目前为止，还没有哪一家汽车厂商在混合动力系统上，有过大批量使用锂电池的经验。号称第一款采用锂电池的混合动力量产车——奔驰S400 BLUE HYBRID要在今年的第三季度才上市。而在这该方面处于领先位置的丰田，与松下的合作研究成果也还处在酝酿之中。

锂电池的技术面临的难题　

1. 如何简化管理的问题。为了满足汽车行驶的需求，锂电池需要采取蓄电池组的形式进行链接以获得更高的电压。但因锂电池允许的放电电压幅度区间小，因此必须对电压进行严密监控。而且与镍氢电池最大的不同是它不能进行统一管理，而是需要对每个电池进行单独监控，这使成本以及系统复杂程度大大增加。
2. 锂电池对电化学过程的温度很敏感，必须在25～40度之间才能发挥最大作用。温差大于5度不仅会影响其性能，还会缩短寿命。民用车上，工程师拿出的解决方案是专设一个水循环来保持电池的工作稳定，但如此一来就增加了电池的重量。这对于在质量能量比上，本来就处于劣势的电池-电机动能回收系统(相对于飞轮动能回收系统)无异于雪上加霜。　
3. 如何实现高质量功率比、高质量能量比。即便是在民用车上，油电混合动力系统的仍显得过于臃肿，这个问题主要出在电池上，本田IMA系统，其结构精简程度的确和飞轮动能回收系统不相上下，但那是没有包含电池以及其管理系统的。须知丰田第二代普瑞斯电池重达53.3公斤。纵然使用高能量密度的锂电池能有效的降低系统质量，但宝马的KERS系统即便是乐观估计也将达到40公斤，而FB公司的飞轮动能回收系统只有24公斤左右。

如何保证安全
　　a，自燃　
　　锂离子电池本身是很不安全的，如果温度过高，比如当充电过量时，将导致电池内混合材料自燃。
　　b，高电压
　　电池-电机动能回收系统为了提高输出功率，会采用高压手段，但高压意味着高危险性！丰田引以为傲的第二代普瑞斯电池电压达到273.6伏(名义电压)，预计F1车队研发的系统电压将远超过这一数值。
　　c，安放位置
　　由于锂电池遇高温与冲击有自燃的危险，因此安放位置也很重要，首先为了保持电池不出现泄漏，各队都决定采用能承受高能量冲击的外壳作“外包”，第二，为了尽可能的避免它在撞击中受到挤压，很多车队计划将其安置在油箱底部边缘。但风险还是有的，宝马-索伯在这个问题上的看法是不能因为风险就放弃接纳新技术。“如果你看看今天F1的安全水平，你会发现我们现有的技术是控制的非常好的。不管怎样，我也不认为电池的危险系数有油箱爆炸或者泄漏的风险大。”马里奥-泰森说道。

　电池-电机动能回收系统技术参数(宝马KERS系统)
　　技术方案：电池-电机动能回收系统
　　技术原理：通过电池存储并释放能量(宝马称自己的系统类似将用于X6的ActiveHybrid，即双模式混合动力)
　　工作电压：-
　　最大功率：60KW(FIA规定上限)
　　最大扭矩：>180牛米(预计)
　　最大能储：400千焦
　　系统总重：<40kg(预计)>

电池-电机动能回收系统的优缺点

优点：扭矩输出大、能量释放便于控制、技术成熟(不包含新电池技术)、有民用车研发经历作为参考，另外由于电池技术对未来汽车工业极为重要，因此F1电池-电机动能回收系统在电池方面的研究，对未来汽车工业的贡献极大。
弱点：系统沉、体积大、对F1车身布局和配重均带来较大的冲击(这也正是年初很多车队要求FIA放宽F1最低质量605KG下限的原因)、安全隐患多、成本高、电池对环境污染大等等。