Як працює електрична система керс (kers) в болідах гонок формула-1

Система керс - рекуперація енергії при гальмуванні для подальшого прискорення під час розгону

KERS (Kinetic Energy Recovery System) - це система рекуперація кінетичної енергії.

Рекуперація в свою чергу це вид накопичення енергії зокрема при гальмуванні. За фактом енергія яка була витрачена на розгін автомобіля, потім може перетворюватися в тепло на гальмівних колодках і дисках при гальмуванні. Ця енергія марно розпорошується по навколишньому середовищу, але ж її можна використовувати на добру справу.
Інженери довго ламали голову над тим як зберегти енергію від гальмування для її подальшого використання по ходу гонки.

Одне з перших винаходів був маховик який обертається у вакуумній камері. При гальмуванні маховик розкручувався і обертався до тих пір поки гонщик не натискайте на кнопку Керса і не відбирав зусилля з маховика для розгону автомобіля.

Так само був розроблений гідравлічний варіант Керса. У цій системі роль накопичувача кінетичної енергії виконувала гідравлічна рідина, яка сильно стискалася при гальмуванні. Потім нацьковуючи тиск можна було отримати додаткову енергію для розгону. На жаль ця система зовсім не прижилася в сучасних автомобілях.

Давайте розберемося більш детально як же це працює.

Як працює електричний KERS (Керс)

У ситеме Керс присутні кілька ключових елементів.

Структурна схема розташування елекментов електричної системи Керс

Мотор / генератор - електричний мотор який може працювати в режимі генератора (тобто виробляти енергію, відбирати кінетичну енергію з вала двигуна і перетворювати її в електричну), а так само в режимі мотора (перетворювати електричну енергію в обертальну і передавати її на вал двигуна) .

CPU (Electronic Control Unit) - центральний процесор або блок управління системою КЕРС. Цей блок займається зарядкою і розрядкою акумуляторів, включення і виключення мотора. По суті це мозок всієї системи, він стежить за станом батарей (за їх зарядом) і за станом мотора (не допускає перевантаження). Так само саме цей блок стежить за температурою всіх елементів.

Система Керс - акумулятори, електричний мотор / генератор і система охолодження

Battery Pack - Набір літій-іонних батарей. Розташовані вони найчастіше під сидінням пілота (в центрі кузова), для правильної розваговки автомобіля. Існує не перевірена "інсайдерська" інформація, що набір акумуляторів видає 400 V і 700 - 800 A, при цьому важить близько 25 -30 кг. Ця вага додається до мінімально встановленому вазі боліда (605 кг) за правилами проведення гонок. З цих же джерел стало відомо, що деякі команди вже подумують про те що б використовувати суперконденсатори для накопичення енергії під час різких гальмувань в комплексі з акумуляторами. Робиться це для того що б забрати якомога більше енергії в момент гальмування, а основним недоліком акумуляторів є те що вони не можуть швидко накопичувати заряд, при швидкій зарядці часто їх структура руйнується і вони більше не можуть виконувати свої функції.

Kers Button - кнопка управління Керса. Розташована вона на складному кермі пілота формули-1. Пілот натискає на неї коли йому необхідно використовувати додаткову енергію протягом гонки. Найчастіше це відбувається на старті, однак не варто забувати, що система починає працювати тільки при подоланні порога швидкості в 100 км / ч.

Порядок роботи системи керс і всіх її ключових елементів

Цикл роботи системи Керс

Система має два цикли.

Накопичення енергії - При гальмуванні від задніх ведучих коліс через привід двигуна кінетична енергія передається на вал Мотор / генератора. Той в свою чергу передає енергію на головний блок управління Керса, який розподіляє електричну енергію по батареях.

Використання накопиченої енергії - при розгоні, коли пілотові необхідно використовувати додаткову енергію він натискає на кнопку. Кнопка в свою чергу передає сигнал на блок управління, який підключає батареї безпосередньо до Мотор / генератору. Мотор перетворює електричну енергію в обертовий момент і переводить зусилля на вал двигуна.

Не варто забувати, що в болідах так само присутній гідравлічна система яка відключає і підключає привід Мотор / генератора до основного валу двигуна через передавальні шестерінки.

Зроблено це приблизно так само як і в звичайних автомобілях зі стартером. При натисканні кнопки шків Мотор / генератора висувається і входить в зчеплення з шестернями передачі двигуна. Після використання Керса, шків Мотор / генератора повертається на місце в стан - коли він не підключений до загальної системи приводу.

Гідравліка дозволяє економити безцінну енергію, яка витрачається на обертаючі моменти при підключеному Мотор / генераторі, який наразі відключені марний.

Підключення електричного двигуна до осі ДВС за допомогою передавальних шестерень (збільшення оборотів двигуна в два рази)

При підключенні електричного мотора використовується співвідношення оборотів 1: 2. При максимальних обертах основного двигуна (18000 оборотів), генератор обертається на швидкості 36000 обертів. Зроблено це для того, що б використовувати більш високо спритний електродвигун, який швидше за все менше важить, але при цьому видає набагато більш високий крутний момент. Відповідно при такому співвідношенні шестерень електродвигуна простіше обертати основний двигун, і звичайно на високих оборотах і на низькому передавальному числі його дуже важко зупинити. Так само швидко відбувається і накопиченні енергії в батареї з високою напругою (про це ми говорили трохи вище).

Тільки система керс дає перевагу в 0.1 - 0.4 секунди на колі. Ці цифри здаються незначними, проте на гонках це ціла вічність. Так само керс незамінний при обгонах, де кожен сантиметр має значення.

Системи рекуперації енергії обов'язково будуть все більше розвиватися і видавати все більше потужності при меншій вазі.
Швидше за все варто очікувати і проривів в розробках акумуляторних батарей.

Долю таких новітніх технологій так само вирішить питання безпеки.

При перших випробуваннях електричного Керса був травмований технік команди Вільямс - його вдарило струмом від корпусу боліда і він потрапив до лікарні. Не варто забувати, що акумулятори працюють на великій напрузі і таять в собі велику кількість енергії.

Так само перегрів батарей або мотора завжди можуть стати причиною загоряння в боліді, а значить можуть бути загрозою життю і здоров'ю водія.
Особливо це небезпечно з огляду на те, що для правильно розваговки автомобіля, часто акумуляторні батареї розташовуються під сидінням водія в центрі кузова.

Проте ми все так же з цікавістю будемо стежити за розвитком цих технологій і чекати нових проривів - адже саме з гонок новітні технології переходять і в наші повсякденні автомобілі.