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车用飞轮混合动力系统的应用进展
摘 要：《节能与新能源汽车技术路线（2.0版）》的发布对汽车节能技术提出了新要求，对于传统内燃机汽车，只能通过添加二次能量存储装置实现部分制动能量回收。在几种典型的储能方式中，拉贡特性图表明飞轮储能具有高瞬时功率、高效率、快速响应、环境友好及循环寿命长等优点，从而成为传统内燃机汽车理想的二次储能技术。尽管飞轮储能技术的应用研究已经取得了一些进展，但目前国内外尚未有详细的研究来总结其在汽车工业领域上的应用。文中基于CNKI数据库、Engineering Village数据库及Web of Science 数据库以“飞轮储能”为主题进行了数据检索，重点分析了“飞轮储能”技术在汽车工业方面的研究进展，且检索数据表明，近20年来车用飞轮储能技术虽为小众研究方向，但一直都在探索中。针对电驱动式和机械式两种典型的飞轮混合动力系统，重点关注了机械式飞轮混合动力系统在汽车领域内的探索、研究及验证历程，并详细阐述了该系统的结构特点、研究现状及未来研究趋势。综合分析表明，机械式系统通过飞轮与车辆传动系统间的纯机械连接，不仅解决了电驱动式中因电驱动系统功率限制而造成的动力与节能效果不足问题，还提高了车用飞轮混合动力系统能量转化效率。
关键词：混合动力；飞轮储能；数据检索；结构特性
2019年国内原油净进口量已达到5亿吨，据预测，2030年中国的石油进口将达8亿吨，占总消耗量的80%。事实上，车用燃油的增加已经成为石油需求量不断增大的主导因素，因此，提高车辆能源利用率成为我国降低石油消耗对外依存度、解决能源危机的重中之重。2020年10月发布的《节能与新能源汽车技术路线（2.0版）》指出，到2035年，传统能源乘用车的平均油耗需达到4 L/100 km，载货商用车油耗较2010年降低15%～20%，这对传统内燃机汽车的节能技术提出了新的要求。
混合动力汽车技术是提高汽车运行效率和运行品质的有效方法，包括主流的电动混合动力技术和机械混合动力技术。机械混合动力系统由一个大功率储能装置和一个无级变速器（CVT）或一个齿轮副耦合到传统动力系统中，为主动力系统提供额外的功率需求。典型的储能技术主要有物理储能（如抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能）、化学储能（如蓄电池、燃料电池、液流电池、超级电容）和电磁储能（如超导电磁储能）等。而车用储能装置则由其储能特性决定，即储能容量、输出功率、放电速率、自放电率、能量效率、寿命、尺寸及成本，各储能技术的储能特性如图1所示。
图1 储能装置储能特性对比
拉贡特性图可以对储能装置比功率和比能量进行初始评估，并依照比能量与比功率的比值定义放电时间，即图1(a)中的虚对角线，每条虚对角线上的充放电持续时间相等，通过充放电持续时间的识别确定所选择的储能装置是否能够以最小质量满足能量或功率需求。此外，能量效率和预期循环次数也可以评估储能装置的储能特性，如图1(b)所示，放电深度为80%时，超级电容和飞轮的能量效率可达到95%，循环次数超过10000次，电池的能量效率约为60%～90%，循环次数为1000～4000次，燃料电池能量效率低，但循环次数相对较长。目前，动力电池和超级电容作为汽车用的主流储能装置，可满足车辆不同工况下的能量需求，但无法同时兼顾比功率和比能量要求；而飞轮能够以相对较高的比能量和比功率满足上述需求，且循环寿命和能量效率较高。
2009年10月，国际汽车联合会(Federation Internationale de l'Automobile，FIA)指出了飞轮混合动力系统车用化的重要性。英国的“技术战略委员会”同时赞助了3个关于飞轮混合动力系统的研究项目，且掌握了大量车用飞轮混合动力先进技术。2011年12月美国能源部委托橡树岭国家实验室对飞轮混合动力系统进行了评估，并指出这种高比功率、高比能量储存特性的技术在混合动力车辆上具有巨大的应用潜力。对于传统内燃机汽车，只能通过添加二次能量存储设备实现部分制动能量回收，而飞轮储能系统是传统内燃机汽车理想的二次储能技术，它能够将汽车减速时的动能以机械能形式存储及传输。
1 国内外数据库文献检索
1.1 CNKI数据库
在中国知网(CNKI)数据库中以“飞轮储能”为主题搜索到文献共2028条，其中期刊文献1415条。飞轮储能研究多集中于电力工业，文献总量有889条，其次是机械工业（183条）、动力工程（174条）、铁路运输（102条）、自动化技术（99条），而汽车工业关于飞轮储能的研究仅有97条，如图2所示。
图2 发表文献分类分布
2000年以前关于飞轮储能的期刊论文仅61条，其中电力工业13条，汽车工业8条；检索到2001—2010年间期刊论文279条，电力工业97条，汽车工业11条；检索到2011—2020年间期刊论文1009条，电力工业399条，汽车工业32条。由此可见，近20年飞轮储能技术的发展较快，且在汽车工业中得到了快速发展，尤其在电力工业方面发展速度倍增。
1.2 Engineering Village数据库
以“All fields”中包含“flywheel energy storage”为检索手段，共检索到3180条记录（1970—2021年），各年份论文发表数量如图3所示。2000年之前，关于飞轮储能的文献年发表量低于50篇，2000年以后发表的文献量快速增加。
图3 发表文献年分布
对上述3180条文献分类分析后，图4中列出了部分分类码下的文献收录量，其中分类号-机械设备(Mechanical Devices)下检索出文献量最多（1785条），即飞轮储能技术在电力工业应用得较为广泛，这与中国知网(CNKI)的统计趋势一致。分类号-汽车下的文献检索量为72条，其中2001—2020年检索文献量为45条，具体分布情况为：2008—2009年11条，2010—2011年5条，2012—2013年3条，2013—2014年8条，2015—2016年5条，2017—2018年6条，2019—2020年7条。该数据说明近20年来汽车用飞轮储能技术虽为小众研究方向，但一直都在探索中。
图4 发表文献分类分布
1.3 Web of Science数据库
Web of Science所有数据库中“主题”包含“flywheel energy storage”的文献检索量为1316条（1984—2021年），文献年发表量如图5所示。
图5 发表文献年分布
图5表明，自2000年后关于飞轮储能技术的文献发表量呈线性增加趋势，且2018年达到124篇，这与EI数据库的统计趋势一致。将1316条按研究方向精炼检索后得到图6，其中工程方向论文检索量为1194条，其次是能量燃料845条，自动化控制系统311条，机械工程文献检索量为74条，交通运输方向39条。上述检索数据表明汽车用飞轮储能技术方向的文献发表量同中国知网(CNKI)及EI数据库的文献发表数量基本一致，即国内外发展趋势一致。
图6 发表文献分类分布
2 车用飞轮混合动力系统
2.1 飞轮混合动力系统结构
美国橡树岭国家实验室提出了两种典型飞轮混合动力系统结构，即电驱动式及机械式飞轮混合动力系统，如图7所示。电驱动式飞轮混合动力系统与飞轮电池结构类似，但其飞轮所储存的能量仅为飞轮电池的几十分之一甚至几百分之一，故陀螺效应可忽略不计，安全性较飞轮电池高。电驱动式系统中飞轮与车辆驱动系统的能量以机械能→电能→机械能形式转化，而机械式系统中飞轮的机械能通过无级变速器(continuously variable transmission，CVT)直接驱动车辆，两者的区别在于飞轮能量输入/输出的方式不同，具体技术特性见表1。
图7 飞轮混合动力系统结构
(a) 电驱动式 (b) 机械式
表1 飞轮混合动力系统的技术特性对比
2.2 电驱动式飞轮混合动力系统
电驱动式飞轮混合动力系统结构与飞轮电池类似，都是通过电动机/发电机和电力电子设备实现能量的转换。车辆再生制动能量的回收及飞轮能量的释放均需通过动能与电能的转化实现，能量传递效率低，且功率大小完全取决于电力传动系统的容量。该结构对系统集成度要求不高，且能量释放值相对较大。图8为英国威廉姆斯混合动力有限公司设计的一种电驱动式飞轮混合动力系统，该系统使用了独特的飞轮结构，将调速电机内置于飞轮内部，电机转子与飞轮转子做成一个整体。
图8 电驱动式飞轮混合动力系统结构
飞轮混合动力系统与飞轮电池的关键不同在于：飞轮电池侧重高能量储备、低能量耗散特性，其飞轮质量更大，工作转速更高，从而导致陀螺效应较大，安全性较难保障，且系统的成本较高。而飞轮混合动力系统的功率密度大，能够较好满足车辆加速时短时高功率需求，可在制动工况下回收动能，避免了飞轮电池对转速、转子质量和低能量耗散的要求。
2.3 机械式飞轮混合动力系统
机械式飞轮混合动力系统由于不需要电机/发电机、电力电子设备等部件，具有结构简单、紧凑及质量轻的特点。汽车减速时，车辆传动系统具有的动能直接以机械能的形式储存于飞轮中；加速或爬坡状态下，旋转的飞轮作为辅助动力源经离合器（或CVT）与传动系统动力耦合，为发动机提供瞬时大功率补偿。由于飞轮与传动系统间的能量转换形式并未发生改变，故其能量传递效率优于电驱动式。机械式飞轮混合动力系统的典型结构如图9所示。
图9 机械式飞轮混合系统结构
图9(a)并联式Ⅰ中发动机与飞轮通过离合器与动力耦合器耦合或解耦，低负荷时发动机可以运行在经济区域内，并同时为飞轮充电；大负荷时，飞轮可为发动机提供额外的后备功率。该结构形式缺点是飞轮的转速不可调，且动力耦合输出时控制策略相对复杂。并联式Ⅱ中发动机功率点可通过CVT调节，发动机运行在经济区域内，且飞轮转速可调，但CVT的存在会降低能量转换效率。并联式Ⅲ中飞轮及CVT置于变速器后方，便于与现有的传动系统集成及实现制动能量回收，但发动机功率点不易调节。
3 车用飞轮储能系统研究进展
3.1 初期探索阶段
20世纪60年代以来，国外科研人员提出了多种车用飞轮混合动力系统并初步进行了探索，以下应用实例均为图9(a)结构的应用。
1971年，洛克希德导弹及宇航公司提出了飞轮混合动力汽车概念，开发了飞轮并联式混合动力系统，如图10所示。该系统中飞轮和发动机并联连接，离合器结合时，飞轮与发动机动力耦合后可通过传动轴传递给后驱动桥。离合器断开时，发动机动力与飞轮动力实现解耦。
图10 洛克希德导弹及宇航公司飞轮混合动力系统
1970年末，威斯康星大学(University of Wisconsin)的Frank和Beachley开发了一套并联式混合动力系统，如图11所示。该系统由2.4 L的发动机和飞轮组成并联系统，离合器1为发动机离合器，离合器2为传动轴轴离合器，传统四速变速器与液压功率分流器组成无级变速单元。汽车怠速时离合器1结合，发动机驱动飞轮旋转，回收部分怠速动能，离合器2结合时飞轮动力输出。
图11 威斯康星大学飞轮混合动力系统
1981年，Hagin等基于“Gyrobus”汽车开发了一套飞轮辅助动力系统，如图12所示。该系统储能容量为0.75 kW·h的飞轮连接行星齿轮排后与100 kW柴油发动机并联，可实现静压传动和液力机械传动模式。
图12 Gyrobus飞轮混合动力系统
（1）静压传动模式：离合器1结合，离合器2、3断开，飞轮动力经行星齿轮排减速后与发动机动力耦合，最后通过齿轮副1、2输出到驱动桥。
（2）液力机械传动模式：离合器1、2、3结合，飞轮与发动机动力耦合后经离合器2、行星齿轮架输入，太阳轮输出后传递给离合器3，最后由齿轮副2增扭后驱动车轮。
1986年Greenwood提出了一种概念式飞轮混合动力系统，如图13所示。飞轮连接分离式离合器后与组合离合器（超越离合器与多片式离合器并联）串联，并通过锥齿轮与汽车传动系统动力耦合。柴油发动机的功率流仅可单向流向传动系统，经CVT驱动车轮；组合离合器使飞轮能量与传动系统实现双向传递，飞轮即可通过分离式离合器、超越离合器将能量传递到传动系统，也可经多片式离合器、分离式离合器实现能量回收。
图13 Greenwood飞轮混合动力系统
3.2 研发阶段
21世纪初，国内外汽车公司或研究机构基于先进的变速器控制技术设计了多种飞轮混动力系统，如图9(b)、(c)所示。这种系统不仅充分发挥了飞轮的高比功率特性，还有效解决了电动汽车中因电驱动系统功率限制而造成的动力与节能效果不足问题。此外，系统中飞轮的机械功率可直接耦合到传统传动系统，大大提高了车辆的再生制动的效率及加速性能。
2001年，荷兰的埃因霍温理工大学开发了一种零惯性动力系统，如图14所示，CVT将发动机工作点控制在最佳效率点附近，但由于系统的非最小相位特性，在加速时存在迟滞现象，而零惯性动力系统可以有效避免车辆加速时由发动机惯性导致的加速阻力。
图14 零惯性动力系统
加速时发动机节气门开度加大，为了满足驾驶员的功率需求，CVT降低速比以增大驱动转矩。为了避免加速时系统加速阻力导致的车速降低现象，图12在汽车传统的动力系统外增加了飞轮和行星齿轮排，发动机通过齿轮副1与行星齿轮排齿圈外啮合，飞轮与太阳轮轴连接。汽车加速时，旋转的飞轮带动行星架转动，经齿轮副2、主减速器、差速器、半轴驱动车轮，提供额外动力。
3.3 验证阶段
2008年，英国Flybrid Systems公司开发了一种并联机械式飞轮动力系统，如图15所示。飞轮由缠绕在钢轮毂上的碳纤维构成，工作转速为35000 r/min（极限转速可达64500 r/min），飞轮通过齿轮副1以固定传动比与环形变速器相连，环形变速器输出轴与离合器连接，动力经耦合器与汽车传统动力系统耦合。
图15 Flybrid Systems公司飞轮混合动力系统
2009年，Flybrid Systems公司在F1方程式赛车上初装了该系统，系统总重约17.2 kg，峰值功率可达到97 kW。2011年6月，配备Flybrid飞轮混合动力系统的赛车成功完成了勒芒24小时拉力赛，成为首台在该项赛事上跑完全程的混合动力赛车。当赛车弯道制动时，车身动能经环形变速器储存于飞轮中，真空壳体中的飞轮高速旋转蓄能。当赛车出弯道加速时，飞轮储存的能量通过环形变速器释放，并在主变速器的输出端和发动机动力耦合驱动车轮。
2010年，基于英国飞轮混合动力系统高级汽车应用项目，捷豹汽车公司开发出机械式飞轮混合动力系统样车Jaguar XF。该系统总重约为65 kg，高速飞轮能够在7 s的时间内输出60 kW的瞬时峰值功率。
2014年，沃尔沃汽车公司联合Torotrak公司开发了新型机械式飞轮混合动力系统(Flywheel KERS)，并安装到试验车型S60 T5的后轴上，如图16所示。沃尔沃公司对其用于汽车的飞轮动能回收系统进行测试，结果表明该系统能减少25%的油耗。
图16 Volvo飞轮混合动力系统
2012年博洛尼亚大学研制了一种搭载AMT的飞轮混合动力系统，如图17所示。该系统中飞轮通过CVT及离合器与自动变速器输入轴相连，可实现制动能量回收和发动机负载点切换。
图17 搭载ATM的飞轮混合动力系统
2014年，国内的海科新能源公司自主开发了如图18所示的飞轮混合动力系统，标准工况下可实现节能30%～50%，整车加速性能提高50%～100%。该系统具有以下特点：①通过行星齿轮机构以机械耦合的方式直接进行动能传输，制动动能利用效率较高；②飞轮控制电机能够进行辅助功率和能量管理，使得电力传动系统需求容量降低；③飞轮不需要真空运行环境，以电机驱动行星齿轮机构取代机械式系统中的CVT，通过电机按需实时补充飞轮能量；④通过飞轮控制电机的矢量控制技术实现了系统理想的平顺性和一致性；⑤储能飞轮的极限转速仅为25000 r/min，其离心强度较大。
图18 海科飞轮混合动力系统
4 结 论
从对车用飞轮混合动力系统的研究可以看出,飞轮混合动力系统是传统内燃机汽车理想的二次储能技术，该系统具有如下优势：①保证主动力源功率稳定输出。车辆处于起步、加速和爬坡工况时，飞轮混合动力系统可以为主动力源提供辅助动力，进行瞬时大功率补偿，减少主动力源动力输出损耗。即在保证同等动力性的前提下可以降低发动机排量，无需大后备功率的储备；②提高能量转换效率。由于飞轮的比功率远高于电池，在车辆下坡和制动时，飞轮混合动力系统能够以机械能的形式快速储能，储能速度不受电池电极“活性物质”化学反应速度的影响；③相对于电动混合动力系统，飞轮混合动力系统使用寿命可以满足车辆全生命周期，且系统维护周期长，环保无污染。
然而，车用飞轮混合动力系统的推广受到技术、价格等因素限制，仍需要对以下两个方面作进一步研究。①飞轮混合动力系统的安全性。虽然较于飞轮电池，储能飞轮的转速已经大幅度降低，但车用飞轮的质量受到汽车轻量化及传动系统布置限制，尺寸不易过大；要想飞轮系统储存能量最大化则需提高飞轮转速，这将导致系统的失效风险增大。对于高速飞轮的车载应用来说，设计一种轻量、低成本的密封系统以防止高速飞轮的失效风险十分必要。②系统各部件参数间的合理匹配。飞轮混合动力系统作为辅助动力源，应用于传统内燃机汽车的目标在于保证车辆动力性的前提下尽可能地提高燃油经济性，而飞轮系统质量的额外增加却与车辆轻量化的目标相冲突，如何合理控制飞轮混合动力系统的质量成本、效率、功率密度和能量密度，使其在不同使用目标下的性价比达到最优仍需进一步探讨。
引用本文： 李红,储江伟,孙术发等.车用飞轮混合动力系统的应用进展[J].储能科学与技术,2021,10(02): 534-543.
LI Hong,CHU Jiangwei,SUN Shufa,et al. Application progress of flywheel hybrid powertrain in vehicle[J].Energy Storage Science and Technology,2021,10(02): 534-543.
第一作者：李红（1989—），女，博士研究生，讲师，研究方向为载运工具运用工程品质控制理论与方法，E-mail：lihong9012@163.com；通信作者：储江伟，教授，研究方向为载运工具运用工程品质控制理论与方法，E-mail：cjw_62@163.com。
