Как работает электрическая система Керс (KERS) в болидах гонок формула-1

KERS (Kinetic Energy Recovery System) - это система рекуперация кинетической энергии.

Рекуперация в свою очередь это вид накопления энергии в частности при торможении. По факту энергия которая была потрачена на разгон автомобиля, потом может превращаться в тепло на тормозных колодках и дисках при торможении. Эта энергия бесполезно распыляется по окружающей среде, а ведь ее можно использовать на благое дело.
Инженеры долго ломали голову над тем как сохранить энергию от торможения для ее дальнейшего использования по ходу гонки.

Одно из первых изобретений был маховик который вращается в вакуумной камере. При торможении маховик раскручивался и вращался до тех пор пока гонщик не нажимал на кнопку керса и не отбирал усилие с маховика для разгона автомобиля.

Так же был разработан гидравлический вариант керса. В этой системе роль накопителя кинетической энергии выполняла гидравлическая жидкость, которая сильно сжималась при торможении. Затем стравливая давление можно было получить дополнительную энергию для разгона. К сожалению эта система совсем не прижилась в современных автомобилях.

В 2009 году на болиде Ferrari F60 была установлена более современная система керса, которая накапливала энергию в электрических аккумуляторах, которая затем в нужный момент могла быть использована для разгона.

Давайте разберемся более подробно как же это работает.

Как работает электрический KERS (Керс)

В ситеме Керс присутствуют несколько ключевых элементов.

Мотор/генератор - электрический мотор который может работать в режиме  генератора (то есть вырабатывать энергию, отбирать кинетическую энергию с вала двигателя и превращать ее в электрическую), а так же в  режиме мотора (превращать электрическую энергию во вращательную и передавать ее на вал двигателя).

CPU (Electronic Control Unit) - центральный процессор или блок управления системой КЕРС. Этот блок занимается зарядкой и разрядкой аккумуляторов, включения и выключения мотора. По сути это мозг всей системы, он следит за состоянием батарей (за их зарядом) и за состоянием мотора (не допускает перегрузки). Так же именно этот блок следит за температурой всех элементов.

Battery Pack - Набор литий-ионных батарей. Расположены они зачастую под сидением пилота (в центре кузова), для правильной развесовки автомобиля. Существует не проверенная "инсайдерская" информация, что набор аккумуляторов выдает 400 V и 700 - 800 A, при этом весит около 25 -30 кг. Этот вес добавляется к минимально установленному весу болида (605 кг) по правилам проведения гонок. Из этих же источников стало известно, что некоторые команды уже подумывают о том что бы использовать суперконденсаторы для накопления энергии во время резких торможений в комплексе с аккумуляторами. Делается это для того что бы отнять как можно больше энергии в момент торможения, а основным недостатком аккумуляторов является то что они не могут быстро накапливать заряд, при быстрой зарядке зачастую их структура разрушается и они больше не могут выполнять свои функции.

Kers Button - кнопка управления керсом. Расположена она на сложном руле пилота формулы-1. Пилот нажимает на нее когда ему необходимо использовать дополнительную энергию в течении гонки. Зачастую это происходит на старте, однако не стоит забывать, что система начинает работать только при преодолении порога скорости в 100 км/ч.

Цикл работы системы Керс

Система имеет два цикла.

Накопление энергии - При торможении от задних ведущих колес через привод двигателя кинетическая энергия передается на вал Мотор/генератора. Тот в свою очередь передает энергию на главный блок управления керса, который распределяет электрическую энергию по батареям.

Использование накопленной энергии - при разгоне, когда пилоту необходимо использовать дополнительную энергию он нажимает на кнопку. Кнопка в свою очередь передает сигнал на блок управления, который подключает батареи напрямую к Мотор/генератору. Мотор преобразует электрическую энергию во вращающий момент и переводит усилие на вал двигателя.

Не стоит забывать, что в болидах так же присутствует гидравлическая система которая отключает и подключает привод Мотор/генератора к основному валу двигателя через передаточные шестеренки.

Сделано это примерно так же как и в обычных автомобилях со стартером. При нажатии кнопки шкив Мотор/генератора выдвигается и входит в сцепление с шестернями передачи двигателя. После использования Керса, шкив Мотор/генератора возвращается на место в состояние - когда он не подключен к общей системе привода.

Гидравлика позволяет экономить бесценную энергию, которая тратится на вращающие моменты при подключенном Мотор/генераторе, который в отключенном состоянии бесполезен.

При подключении электрического мотора используется соотношение оборотов 1:2. При максимальных оборотах основного двигателя (18000 оборотов), генератор вращается на скорости 36000 оборотов. Сделано это для того, что бы использовать более высоко оборотистый электродвигатель, который скорее всего меньше весит, но при этом выдает намного более высокий крутящий момент. Соответственно при таком соотношении шестеренок электродвигателю проще вращать основной двигатель, и конечно на высоких оборотах и на низком передаточном числе его очень трудно остановить. Так же быстро происходит и накоплении энергии в батареи с высоким напряжением (об этом мы говорили чуть выше).

3d модель работы системы керс в реальном времени вы можете посмотреть на видео



На сегодняшний день в гонках используется Керс который может выдать мощность в  60кВт ( примерно 400 кДж или 80 лошадиных сил) в течении 6,67секунда в течении одного круга.
Себастьян Феттель красочно объяснил в красивом видео - как работает керс вместе со специальным крылом на гонках формула-1.



Только система керс дает преимущество в 0.1 - 0.4 секунды на круге. Эти цифры кажутся незначительными, однако на гонках это целая вечность. Так же керс незаменим при обгонах, где каждый сантиметр имеет значение.

Системы рекуперации энергии обязательно будут все больше развиваться и выдавать все больше мощности при меньшем весе.
Скорее всего стоит ожидать и прорывов в разработках аккумуляторных батарей.

Судьбу таких новейших технологий так же решит вопрос безопасности.

При первых испытаниях электрического керса был травмирован техник команды Вильямс - его ударило током от корпуса болида и он попал в больницу. Не стоит забывать, что аккумуляторы работают на больших напряжениях и таят в себе большое  количество энергии.

Так же перегрев батарей или мотора всегда могут стать причиной возгорания в болиде, а значит могут быть угрозой жизни и здоровью водителя.
Особенно это опасно учитывая то, что для правильно развесовки автомобиля, часто аккумуляторные батареи располагаются под сидением водителя в центре кузова.

Тем не менее мы все так же с интересом будем следить за развитием этих технологий и ждать новых прорывов  - ведь именно из гонок новейшие технологии переходят и в наши повседневные автомобили.