車用飛輪混合動力系統的應用進展

摘 要：《節能與新能源汽車技術路線（2.0版）》的發布對汽車節能技術提出了新要求，對于傳統內燃機汽車，只能通過添加二次能量存儲裝置實現部分制動能量回收。在幾種典型的儲能方式中，拉貢特性圖表明飛輪儲能具有高瞬時功率、高效率、快速響應、環境友好及循環壽命長等優點，從而成為傳統內燃機汽車理想的二次儲能技術。盡管飛輪儲能技術的應用研究已經取得了一些進展，但目前國內外尚未有詳細的研究來總結其在汽車工業領域上的應用。文中基于CNKI數據庫、Engineering Village數據庫及Web of Science 數據庫以“飛輪儲能”為主題進行了數據檢索，重點分析了“飛輪儲能”技術在汽車工業方面的研究進展，且檢索數據表明，近20年來車用飛輪儲能技術雖為小眾研究方向，但一直都在探索中。針對電驅動式和機械式兩種典型的飛輪混合動力系統，重點關注了機械式飛輪混合動力系統在汽車領域內的探索、研究及驗證歷程，并詳細闡述了該系統的結構特點、研究現狀及未來研究趨勢。綜合分析表明，機械式系統通過飛輪與車輛傳動系統間的純機械連接，不僅解決了電驅動式中因電驅動系統功率限制而造成的動力與節能效果不足問題，還提高了車用飛輪混合動力系統能量轉化效率。

關鍵詞：混合動力；飛輪儲能；數據檢索；結構特性

2019年國內原油凈進口量已達到5億噸，據預測，2030年中國的石油進口將達8億噸，占總消耗量的80%。事實上，車用燃油的增加已經成為石油需求量不斷增大的主導因素，因此，提高車輛能源利用率成為我國降低石油消耗對外依存度、解決能源危機的重中之重。2020年10月發布的《節能與新能源汽車技術路線（2.0版）》指出，到2035年，傳統能源乘用車的平均油耗需達到4 L/100 km，載貨商用車油耗較2010年降低15%～20%，這對傳統內燃機汽車的節能技術提出了新的要求。

混合動力汽車技術是提高汽車運行效率和運行品質的有效方法，包括主流的電動混合動力技術和機械混合動力技術。機械混合動力系統由一個大功率儲能裝置和一個無級變速器（CVT）或一個齒輪副耦合到傳統動力系統中，為主動力系統提供額外的功率需求。典型的儲能技術主要有物理儲能（如抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能）、化學儲能（如蓄電池、燃料電池、液流電池、超級電容）和電磁儲能（如超導電磁儲能）等。而車用儲能裝置則由其儲能特性決定，即儲能容量、輸出功率、放電速率、自放電率、能量效率、壽命、尺寸及成本，各儲能技術的儲能特性如圖1所示。

圖1 儲能裝置儲能特性對比

拉貢特性圖可以對儲能裝置比功率和比能量進行初始評估，并依照比能量與比功率的比值定義放電時間，即圖1(a)中的虛對角線，每條虛對角線上的充放電持續時間相等，通過充放電持續時間的識別確定所選擇的儲能裝置是否能夠以最小質量滿足能量或功率需求。此外，能量效率和預期循環次數也可以評估儲能裝置的儲能特性，如圖1(b)所示，放電深度為80%時，超級電容和飛輪的能量效率可達到95%，循環次數超過10000次，電池的能量效率約為60%～90%，循環次數為1000～4000次，燃料電池能量效率低，但循環次數相對較長。目前，動力電池和超級電容作為汽車用的主流儲能裝置，可滿足車輛不同工況下的能量需求，但無法同時兼顧比功率和比能量要求；而飛輪能夠以相對較高的比能量和比功率滿足上述需求，且循環壽命和能量效率較高。

2009年10月，國際汽車聯合會(Federation Internationale de l'Automobile，FIA)指出了飛輪混合動力系統車用化的重要性。英國的“技術戰略委員會”同時贊助了3個關于飛輪混合動力系統的研究項目，且掌握了大量車用飛輪混合動力先進技術。2011年12月美國能源部委托橡樹嶺國家實驗室對飛輪混合動力系統進行了評估，并指出這種高比功率、高比能量儲存特性的技術在混合動力車輛上具有巨大的應用潛力。對于傳統內燃機汽車，只能通過添加二次能量存儲設備實現部分制動能量回收，而飛輪儲能系統是傳統內燃機汽車理想的二次儲能技術，它能夠將汽車減速時的動能以機械能形式存儲及傳輸。

1 國內外數據庫文獻檢索

1.1?CNKI數據庫

在中國知網(CNKI)數據庫中以“飛輪儲能”為主題搜索到文獻共2028條，其中期刊文獻1415條。飛輪儲能研究多集中于電力工業，文獻總量有889條，其次是機械工業（183條）、動力工程（174條）、鐵路運輸（102條）、自動化技術（99條），而汽車工業關于飛輪儲能的研究僅有97條，如圖2所示。

圖2 發表文獻分類分布

2000年以前關于飛輪儲能的期刊論文僅61條，其中電力工業13條，汽車工業8條；檢索到2001—2010年間期刊論文279條，電力工業97條，汽車工業11條；檢索到2011—2020年間期刊論文1009條，電力工業399條，汽車工業32條。由此可見，近20年飛輪儲能技術的發展較快，且在汽車工業中得到了快速發展，尤其在電力工業方面發展速度倍增。

1.2?Engineering Village數據庫

以“All fields”中包含“flywheel energy storage”為檢索手段，共檢索到3180條記錄（1970—2021年），各年份論文發表數量如圖3所示。2000年之前，關于飛輪儲能的文獻年發表量低于50篇，2000年以后發表的文獻量快速增加。

圖3 發表文獻年分布

對上述3180條文獻分類分析后，圖4中列出了部分分類碼下的文獻收錄量，其中分類號-機械設備(Mechanical Devices)下檢索出文獻量最多（1785條），即飛輪儲能技術在電力工業應用得較為廣泛，這與中國知網(CNKI)的統計趨勢一致。分類號-汽車下的文獻檢索量為72條，其中2001—2020年檢索文獻量為45條，具體分布情況為：2008—2009年11條，2010—2011年5條，2012—2013年3條，2013—2014年8條，2015—2016年5條，2017—2018年6條，2019—2020年7條。該數據說明近20年來汽車用飛輪儲能技術雖為小眾研究方向，但一直都在探索中。

圖4 發表文獻分類分布

1.3?Web of Science數據庫

Web of Science所有數據庫中“主題”包含“flywheel energy storage”的文獻檢索量為1316條（1984—2021年），文獻年發表量如圖5所示。

圖5 發表文獻年分布

圖5表明，自2000年后關于飛輪儲能技術的文獻發表量呈線性增加趨勢，且2018年達到124篇，這與EI數據庫的統計趨勢一致。將1316條按研究方向精煉檢索后得到圖6，其中工程方向論文檢索量為1194條，其次是能量燃料845條，自動化控制系統311條，機械工程文獻檢索量為74條，交通運輸方向39條。上述檢索數據表明汽車用飛輪儲能技術方向的文獻發表量同中國知網(CNKI)及EI數據庫的文獻發表數量基本一致，即國內外發展趨勢一致。

圖6 發表文獻分類分布

2 車用飛輪混合動力系統

2.1?飛輪混合動力系統結構

美國橡樹嶺國家實驗室提出了兩種典型飛輪混合動力系統結構，即電驅動式及機械式飛輪混合動力系統，如圖7所示。電驅動式飛輪混合動力系統與飛輪電池結構類似，但其飛輪所儲存的能量僅為飛輪電池的幾十分之一甚至幾百分之一，故陀螺效應可忽略不計，安全性較飛輪電池高。電驅動式系統中飛輪與車輛驅動系統的能量以機械能→電能→機械能形式轉化，而機械式系統中飛輪的機械能通過無級變速器(continuously variable transmission，CVT)直接驅動車輛，兩者的區別在于飛輪能量輸入/輸出的方式不同，具體技術特性見表1。

圖7 飛輪混合動力系統結構

(a) 電驅動式 (b) 機械式

表1 飛輪混合動力系統的技術特性對比

2.2?電驅動式飛輪混合動力系統

電驅動式飛輪混合動力系統結構與飛輪電池類似，都是通過電動機/發電機和電力電子設備實現能量的轉換。車輛再生制動能量的回收及飛輪能量的釋放均需通過動能與電能的轉化實現，能量傳遞效率低，且功率大小完全取決于電力傳動系統的容量。該結構對系統集成度要求不高，且能量釋放值相對較大。圖8為英國威廉姆斯混合動力有限公司設計的一種電驅動式飛輪混合動力系統，該系統使用了獨特的飛輪結構，將調速電機內置于飛輪內部，電機轉子與飛輪轉子做成一個整體。

圖8 電驅動式飛輪混合動力系統結構

飛輪混合動力系統與飛輪電池的關鍵不同在于：飛輪電池側重高能量儲備、低能量耗散特性，其飛輪質量更大，工作轉速更高，從而導致陀螺效應較大，安全性較難保障，且系統的成本較高。而飛輪混合動力系統的功率密度大，能夠較好滿足車輛加速時短時高功率需求，可在制動工況下回收動能，避免了飛輪電池對轉速、轉子質量和低能量耗散的要求。

2.3?機械式飛輪混合動力系統

機械式飛輪混合動力系統由于不需要電機/發電機、電力電子設備等部件，具有結構簡單、緊湊及質量輕的特點。汽車減速時，車輛傳動系統具有的動能直接以機械能的形式儲存于飛輪中；加速或爬坡狀態下，旋轉的飛輪作為輔助動力源經離合器（或CVT）與傳動系統動力耦合，為發動機提供瞬時大功率補償。由于飛輪與傳動系統間的能量轉換形式并未發生改變，故其能量傳遞效率優于電驅動式。機械式飛輪混合動力系統的典型結構如圖9所示。

圖9 機械式飛輪混合系統結構

圖9(a)并聯式Ⅰ中發動機與飛輪通過離合器與動力耦合器耦合或解耦，低負荷時發動機可以運行在經濟區域內，并同時為飛輪充電；大負荷時，飛輪可為發動機提供額外的后備功率。該結構形式缺點是飛輪的轉速不可調，且動力耦合輸出時控制策略相對復雜。并聯式Ⅱ中發動機功率點可通過CVT調節，發動機運行在經濟區域內，且飛輪轉速可調，但CVT的存在會降低能量轉換效率。并聯式Ⅲ中飛輪及CVT置于變速器后方，便于與現有的傳動系統集成及實現制動能量回收，但發動機功率點不易調節。

3 車用飛輪儲能系統研究進展

3.1?初期探索階段

20世紀60年代以來，國外科研人員提出了多種車用飛輪混合動力系統并初步進行了探索，以下應用實例均為圖9(a)結構的應用。

1971年，洛克希德導彈及宇航公司提出了飛輪混合動力汽車概念，開發了飛輪并聯式混合動力系統，如圖10所示。該系統中飛輪和發動機并聯連接，離合器結合時，飛輪與發動機動力耦合后可通過傳動軸傳遞給后驅動橋。離合器斷開時，發動機動力與飛輪動力實現解耦。

圖10 洛克希德導彈及宇航公司飛輪混合動力系統

1970年末，威斯康星大學(University of Wisconsin)的Frank和Beachley開發了一套并聯式混合動力系統，如圖11所示。該系統由2.4 L的發動機和飛輪組成并聯系統，離合器1為發動機離合器，離合器2為傳動軸軸離合器，傳統四速變速器與液壓功率分流器組成無級變速單元。汽車怠速時離合器1結合，發動機驅動飛輪旋轉，回收部分怠速動能，離合器2結合時飛輪動力輸出。

圖11 威斯康星大學飛輪混合動力系統

1981年，Hagin等基于“Gyrobus”汽車開發了一套飛輪輔助動力系統，如圖12所示。該系統儲能容量為0.75 kW·h的飛輪連接行星齒輪排后與100 kW柴油發動機并聯，可實現靜壓傳動和液力機械傳動模式。

圖12 Gyrobus飛輪混合動力系統

（1）靜壓傳動模式：離合器1結合，離合器2、3斷開，飛輪動力經行星齒輪排減速后與發動機動力耦合，最后通過齒輪副1、2輸出到驅動橋。

（2）液力機械傳動模式：離合器1、2、3結合，飛輪與發動機動力耦合后經離合器2、行星齒輪架輸入，太陽輪輸出后傳遞給離合器3，最后由齒輪副2增扭后驅動車輪。

1986年Greenwood提出了一種概念式飛輪混合動力系統，如圖13所示。飛輪連接分離式離合器后與組合離合器（超越離合器與多片式離合器并聯）串聯，并通過錐齒輪與汽車傳動系統動力耦合。柴油發動機的功率流僅可單向流向傳動系統，經CVT驅動車輪；組合離合器使飛輪能量與傳動系統實現雙向傳遞，飛輪即可通過分離式離合器、超越離合器將能量傳遞到傳動系統，也可經多片式離合器、分離式離合器實現能量回收。

圖13 Greenwood飛輪混合動力系統

3.2?研發階段

21世紀初，國內外汽車公司或研究機構基于先進的變速器控制技術設計了多種飛輪混動力系統，如圖9(b)、(c)所示。這種系統不僅充分發揮了飛輪的高比功率特性，還有效解決了電動汽車中因電驅動系統功率限制而造成的動力與節能效果不足問題。此外，系統中飛輪的機械功率可直接耦合到傳統傳動系統，大大提高了車輛的再生制動的效率及加速性能。

2001年，荷蘭的埃因霍溫理工大學開發了一種零慣性動力系統，如圖14所示，CVT將發動機工作點控制在最佳效率點附近，但由于系統的非最小相位特性，在加速時存在遲滯現象，而零慣性動力系統可以有效避免車輛加速時由發動機慣性導致的加速阻力。

圖14 零慣性動力系統

加速時發動機節氣門開度加大，為了滿足駕駛員的功率需求，CVT降低速比以增大驅動轉矩。為了避免加速時系統加速阻力導致的車速降低現象，圖12在汽車傳統的動力系統外增加了飛輪和行星齒輪排，發動機通過齒輪副1與行星齒輪排齒圈外嚙合，飛輪與太陽輪軸連接。汽車加速時，旋轉的飛輪帶動行星架轉動，經齒輪副2、主減速器、差速器、半軸驅動車輪，提供額外動力。

3.3?驗證階段

2008年，英國Flybrid Systems公司開發了一種并聯機械式飛輪動力系統，如圖15所示。飛輪由纏繞在鋼輪轂上的碳纖維構成，工作轉速為35000 r/min（極限轉速可達64500 r/min），飛輪通過齒輪副1以固定傳動比與環形變速器相連，環形變速器輸出軸與離合器連接，動力經耦合器與汽車傳統動力系統耦合。

圖15 Flybrid Systems公司飛輪混合動力系統

2009年，Flybrid Systems公司在F1方程式賽車上初裝了該系統，系統總重約17.2 kg，峰值功率可達到97 kW。2011年6月，配備Flybrid飛輪混合動力系統的賽車成功完成了勒芒24小時拉力賽，成為首臺在該項賽事上跑完全程的混合動力賽車。當賽車彎道制動時，車身動能經環形變速器儲存于飛輪中，真空殼體中的飛輪高速旋轉蓄能。當賽車出彎道加速時，飛輪儲存的能量通過環形變速器釋放，并在主變速器的輸出端和發動機動力耦合驅動車輪。

2010年，基于英國飛輪混合動力系統高級汽車應用項目，捷豹汽車公司開發出機械式飛輪混合動力系統樣車Jaguar XF。該系統總重約為65 kg，高速飛輪能夠在7 s的時間內輸出60 kW的瞬時峰值功率。

2014年，沃爾沃汽車公司聯合Torotrak公司開發了新型機械式飛輪混合動力系統(Flywheel KERS)，并安裝到試驗車型S60 T5的后軸上，如圖16所示。沃爾沃公司對其用于汽車的飛輪動能回收系統進行測試，結果表明該系統能減少25%的油耗。

圖16 Volvo飛輪混合動力系統

2012年博洛尼亞大學研制了一種搭載AMT的飛輪混合動力系統，如圖17所示。該系統中飛輪通過CVT及離合器與自動變速器輸入軸相連，可實現制動能量回收和發動機負載點切換。

圖17 搭載ATM的飛輪混合動力系統

2014年，國內的海科新能源公司自主開發了如圖18所示的飛輪混合動力系統，標準工況下可實現節能30%～50%，整車加速性能提高50%～100%。該系統具有以下特點：①通過行星齒輪機構以機械耦合的方式直接進行動能傳輸，制動動能利用效率較高；②飛輪控制電機能夠進行輔助功率和能量管理，使得電力傳動系統需求容量降低；③飛輪不需要真空運行環境，以電機驅動行星齒輪機構取代機械式系統中的CVT，通過電機按需實時補充飛輪能量；④通過飛輪控制電機的矢量控制技術實現了系統理想的平順性和一致性；⑤儲能飛輪的極限轉速僅為25000 r/min，其離心強度較大。

圖18 海科飛輪混合動力系統

4 結 論

從對車用飛輪混合動力系統的研究可以看出,飛輪混合動力系統是傳統內燃機汽車理想的二次儲能技術，該系統具有如下優勢：①保證主動力源功率穩定輸出。車輛處于起步、加速和爬坡工況時，飛輪混合動力系統可以為主動力源提供輔助動力，進行瞬時大功率補償，減少主動力源動力輸出損耗。即在保證同等動力性的前提下可以降低發動機排量，無需大后備功率的儲備；②提高能量轉換效率。由于飛輪的比功率遠高于電池，在車輛下坡和制動時，飛輪混合動力系統能夠以機械能的形式快速儲能，儲能速度不受電池電極“活性物質”化學反應速度的影響；③相對于電動混合動力系統，飛輪混合動力系統使用壽命可以滿足車輛全生命周期，且系統維護周期長，環保無污染。

然而，車用飛輪混合動力系統的推廣受到技術、價格等因素限制，仍需要對以下兩個方面作進一步研究。①飛輪混合動力系統的安全性。雖然較于飛輪電池，儲能飛輪的轉速已經大幅度降低，但車用飛輪的質量受到汽車輕量化及傳動系統布置限制，尺寸不易過大；要想飛輪系統儲存能量最大化則需提高飛輪轉速，這將導致系統的失效風險增大。對于高速飛輪的車載應用來說，設計一種輕量、低成本的密封系統以防止高速飛輪的失效風險十分必要。②系統各部件參數間的合理匹配。飛輪混合動力系統作為輔助動力源，應用于傳統內燃機汽車的目標在于保證車輛動力性的前提下盡可能地提高燃油經濟性，而飛輪系統質量的額外增加卻與車輛輕量化的目標相沖突，如何合理控制飛輪混合動力系統的質量成本、效率、功率密度和能量密度，使其在不同使用目標下的性價比達到最優仍需進一步探討。

引用本文： 車用飛輪混合動力系統的應用進展[J].儲能科學與技術

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