بازیابی انرژی جنبشی به روش William F1

ایدهٔ بازیابی انرژی جنبشی خودروها به هنگام ترمز کردن و کاهش سرعت به بسیار قبل بازمی‌گردد. تلاش‌ها بر روی این مسئله منجر به طراحی سیستمی به نام kers یا kinetic energy recovery system شد که امروزه با توجه به گسترش خودروهای هیبریدی و افزایش توجه خودروسازان و طرفداران خودرو به بازدهی و مصرف سوخت خودروها، رواج زیادی یافته است. به‌طوری‌که در هر سه خودرو معروف هیبریدی مک لارن p1, پورشه 918, لافراری و اکثر خودروهای فرمول 1 می‌توان آن را یافت.

ایدهٔ طراحی این سیستم بسیار ساده است. یک موتور/ژنراتور الکتریکی متصل به سیستم انتقال قدرت در کنار جعبه‌ دنده تعبیه شده است. این سیستم در حالت عادی تأثیری بر عملکرد خودرو ندارد تا هنگامی‌که راننده ترمز می‌کند. در هنگام ترمز کردن، سیستم به‌صورت ژنراتوری شروع به کار می‌کند و با کاهش دادن سرعت خودرو، انرژی جنبش خودرو را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند که این انرژی در باتری مخصوص سیستم kers ذخیره می‌شود. در هنگام نیاز، راننده با فشار دادن دکمه مخصوص و یا در بعضی خودروها به‌صورت اتوماتیک، سیستم در حالت موتوری قرار می‌گیرد و با استفاده از انرژی‌ای که قبلاً در باتری‌ها ذخیره کرده بود قدرت بیشتری را برای خودرو فراهم می‌کند و انرژی ذخیره شده در باتری را دوباره به انرژی جنبشی خودرو تبدیل می‌کند.

این سیستم در چندین سال اخیر مورد توجه تیم‌های فرمول 1 قرار گرفت. برای آن‌ها بزرگ‌ترین مشکل عدم توانایی باتری‌های معمول در دریافت انرژی تولید شده هنگام ترمز و بازپس دهی آن به هنگام شتاب گیری در مدت‌زمان کوتاه (ظرفیت توان پایین) بوده است. به‌طور مثال این خودروها در مدت‌زمان کمتر از 3 ثانیه از سرعت 300 کیلومتر بر ساعت به صفر می‌رسند که باتری‌ها توانایی دریافت این مقدار انرژی را در این مدت‌زمان کم ندارند و از طرفی هنگام شتاب گیری این سیستم کل انرژی خود را باید در مدت‌زمان حداکثر 6 ثانیه به موتور الکتریکی متصل به جعبه‌دنده تحویل دهد تا خودرو بتواند بیشترین قدرت ممکن را اضافه بر موتور اصلی خود دریافت کند-که این امر مهم‌ترین امتیاز این سیستم برای خودروهای فرمول 1 است- و این نیز برای باتری‌های معمول ناممکن است.

تیم تحقیقات هیبریدی ویلیامز F1 به دنبال پیدا کردن جایگزینی برای باتری‌ها به سراغ ایدهٔ قدیمی ذخیرهٔ انرژی به‌صورت مکانیکی یعنی فلایویل رفتند و با اعمال تغییراتی که موجب عملکرد بهتر آن شد، استفاده از آن را عملی ساختند.

این سیستم مانند سایر سیستم‌های kers از یک موتور/ژنراتور متصل به سیستم انتقال قدرت و یک واحد کنترل الکترونیکی برای مدیریت و زمان‌بندی انتقال انرژی به سیستم تشکیل شده است. تفاوت این سیستم در این است که به‌جای ذخیرهٔ انرژی در یک باتری یا ابرخازن از یک فلایویل چرخان استفاده می‌کند. ایدهٔ عملکرد این سیستم بسیار ساده است، اما ساخت آن به گونه کارآمد خیلی آسان نیست. این سیستم علاوه بر موتور متصل به جعبه‌دنده دارای یک موتور ژنراتور دیگر متصل به فلایویل برای تحویل و بازپس‌گیری انرژی است. برای رسیدن به بهترین بازدهی و عملکردی این فلایویل باید در حد ممکن سبک باشد و در عین حال ظرفیت انرژی آن کاسته نشود که نتیجهٔ آن رساندن سرعت دوران به مقداری بین 50 تا 100 هزار دور در دقیقه است. در چنین سرعتی اصطکاک هوا گرمای نامطلوبی را در پی دارد که باعث اتلاف انرژی می‌شود. برای مقابله با این مشکل فلایویل را در محفظه خلأ قرار می‌دهند، اینجاست که سؤال بعدی مطرح می‌شود. چه طور بدون از بین رفتن خلأ محفظه با آن تبادل انرژی داشت. در جواب این مشکل طراحان سازنده تصمیم می‌گیرند تا موتور الکتریکی متصل به آن را نیز در درون محفظه خلأ قرار دهند و در نهایت محفظهٔ خلأ، موتور و فلایویل مانند یک سیستم یکپارچه شوند.

یک استاتور در لایه خارجی سیستم سوار شده است و توسط روغن خنک می‌شود تا گرماهای تولید شده به علت تلفات جریان گردابی را از بین ببرد. فلایویل نیز از مواد کامپوزیتی مغناطیسی تشکیل شده است. برای تحمل فشارهای وارده به آن در سرعت‌های بالا باید در ساخت آن از فیبرها استفاده شود و با توجه به اینکه برای حرکت دادن موتور، باید دارای خاصیت مغناطیسی باشد در فرآیند ساخت آن به فیبرها ذرات فلزی تزریق شده است که به آن اجازه می‌دهد به یک آهن‌ربای دائمی تبدیل شود. یک‌تکه بودن فلایویل در این سیستم در مقابل فلایویل های دارای تکه‌های جداگانه مزایای زیادی به آن داده است از جمله قابلیت تحمل سرعت‌های دورانی بالاتر و کاهش تلفات eddy هنگام انتقال انرژی. بدنه خارجی آن را، برای هر چه سبک‌تر شدن از آلومینیوم ساخته‌اند و از فایبرگلاس برای تقویت آن استفاده کرده‌اند.

Foley -مهندس و طراح این سیستم برای ویلیامز- سیستم خود را یک جانشین آشکار برای باتری‌ها و ابرخازنها می‌داند که می‌تواند به سادگی باتری‌های kers های معمول نصب شود و مانند آن‌ها در هر قسمتی از خودرو که فضای کافی وجود دارد قرار بگیرد. به نظر او بیشتری کارایی این دستگاه در خودروهای مسابقه است. او می‌گوید باتری‌ها داری ظرفیت انرژی و قدرت خوبی هستند اگر بخواهید در کل روز از خودرو خود استفاده کنید اما در مسابقات که شما نیازمند انتقال انرژی در کمترین زمان ممکن هستید، ظرفیت آن‌ها بسیار ناچیز است. همچنین باتری‌ها عمر مفید کوتاهی دارند و استفادهٔ مداوم از آن‌ها باعث افت بازدهی آن‌ها می‌شود. ابرخازنها ظرفیت قدرت (انتقال انرژی) خوبی دارند اما ظرفیت ذخیرهٔ انرژی آن‌ها ناچیز است. به‌طور مثال معادل ظرفیت ذخیرهٔ انرژی فلایویل که 40 کیلوگرم وزن دارد، سیستمی معادل 150 کیلوگرم از خازن‌ها را نیازمند است.