李 紅，儲江偉，孫術發(fā)，劉 賀

（東北林業(yè)大學交通學院，黑龍江 哈爾濱150040）

2019年國內原油凈進口量已達到5億噸，據(jù)預測，2030年中國的石油進口將達8億噸，占總消耗量的80%[1-3]。事實上，車用燃油的增加已經(jīng)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(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車技術路線（2.0版）》指出，到2035年，傳統(tǒng)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%[4]，這對傳統(tǒng)內燃機汽車的節(jié)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[5-6]，包括主流的電動混合動力技術和機械混合動力技術[7-10]。機械混合動力系統(tǒng)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(tǒng)動力系統(tǒng)中，為主動力系統(tǒng)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[11-13]。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[14]，各儲能技術的儲能特性如圖1所示。

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[15-17]，即圖1(a)中的虛對角線，每條虛對角線上的充放電持續(xù)時間相等，通過充放電持續(xù)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(huán)次數(shù)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(huán)次數(shù)超過10000次，電池的能量效率約為60%～90%，循環(huán)次數(shù)為1000～4000 次，燃料電池能量效率低，但循環(huán)次數(shù)相對較長[18-19]。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(huán)壽命和能量效率較高。

圖1 儲能裝置儲能特性對比Fig.1 Comparison of energy storage characteristics of energy storage devices

2009 年10 月，國際汽車聯(lián)合會(Federation Internationale de l'Automobile，F(xiàn)IA)指出了飛輪混合動力系統(tǒng)車用化的重要性。英國的“技術戰(zhàn)略委員會”同時贊助了3個關于飛輪混合動力系統(tǒng)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(tǒng)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[20-22]。對于傳統(tǒng)內燃機汽車，只能通過添加二次能量存儲設備實現(xiàn)部分制動能量回收，而飛輪儲能系統(tǒng)是傳統(tǒng)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(shù)據(jù)庫文獻檢索

1.1 CNKI數(shù)據(jù)庫

在中國知網(wǎng)(CNKI)數(shù)據(jù)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(yè)，文獻總量有889 條，其次是機械工業(yè)（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(yè)關于飛輪儲能的研究僅有97 條，如圖2所示。

圖2 發(fā)表文獻分類分布Fig.2 Distribution of published papers’classification

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

1.2 Engineering Village數(shù)據(jù)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(fā)表數(shù)量如圖3 所示。2000 年之前，關于飛輪儲能的文獻年發(fā)表量低于50 篇，2000 年以后發(fā)表的文獻量快速增加。

圖3 發(fā)表文獻年分布Fig.3 Papers published in years

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(yè)應用得較為廣泛，這與中國知網(wǎng)(CNKI)的統(tǒng)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(shù)據(jù)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。

1.3 Web of Science數(shù)據(jù)庫

Web of Science 所有數(shù)據(jù)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(fā)表量如圖5所示。

圖4 發(fā)表文獻分類分布Fig.4 Distribution of published papers’classification

圖5 發(fā)表文獻年分布Fig.5 Papers published in years

圖5 表明，自2000 年后關于飛輪儲能技術的文獻發(fā)表量呈線性增加趨勢，且2018 年達到124篇，這與EI 數(shù)據(jù)庫的統(tǒng)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(tǒng)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(shù)據(jù)表明汽車用飛輪儲能技術方向的文獻發(fā)表量同中國知網(wǎng)(CNKI)及EI數(shù)據(jù)庫的文獻發(fā)表數(shù)量基本一致，即國內外發(fā)展趨勢一致。

圖6 發(fā)表文獻分類分布Fig.6 Distribution of published papers’classification

2 車用飛輪混合動力系統(tǒng)

2.1 飛輪混合動力系統(tǒng)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(tǒng)結構，即電驅動式及機械式飛輪混合動力系統(tǒng)，如圖7 所示[20,23]。電驅動式飛輪混合動力系統(tǒng)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(tǒng)中飛輪與車輛驅動系統(tǒng)的能量以機械能→電能→機械能形式轉化，而機械式系統(tǒng)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(qū)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[11,21]。

圖7 飛輪混合動力系統(tǒng)結構Fig.7 Structure of flywheel hybrid powertrain

表1 飛輪混合動力系統(tǒng)的技術特性對比Table 1 Comparison of technical characteristic for flywheel hybrid powertrain

2.2 電驅動式飛輪混合動力系統(tǒng)

電驅動式飛輪混合動力系統(tǒng)結構與飛輪電池類似，都是通過電動機/發(fā)電機和電力電子設備實現(xiàn)能量的轉換[24-27]。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(xiàn)，能量傳遞效率低，且功率大小完全取決于電力傳動系統(tǒng)的容量。該結構對系統(tǒng)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(tǒng)，該系統(tǒng)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(tǒng)結構Fig.8 Structure of flywheel hybrid electric powertrain

飛輪混合動力系統(tǒng)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(tǒng)的成本較高。而飛輪混合動力系統(tǒng)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(tǒng)

機械式飛輪混合動力系統(tǒng)由于不需要電機/發(fā)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[28-30]。汽車減速時，車輛傳動系統(tǒng)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(tài)下，旋轉的飛輪作為輔助動力源經(jīng)離合器（或CVT）與傳動系統(tǒng)動力耦合，為發(fā)動機提供瞬時大功率補償。由于飛輪與傳動系統(tǒng)間的能量轉換形式并未發(fā)生改變，故其能量傳遞效率優(yōu)于電驅動式。機械式飛輪混合動力系統(tǒng)的典型結構如圖9所示。

圖9(a)并聯(lián)式Ⅰ中發(fā)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(fā)動機可以運行在經(jīng)濟區(qū)域內，并同時為飛輪充電；大負荷時，飛輪可為發(fā)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(lián)式Ⅱ中發(fā)動機功率點可通過CVT調節(jié)，發(fā)動機運行在經(jīng)濟區(qū)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(lián)式Ⅲ中飛輪及CVT 置于變速器后方，便于與現(xiàn)有的傳動系統(tǒng)集成及實現(xiàn)制動能量回收，但發(fā)動機功率點不易調節(jié)。

圖9 機械式飛輪混合系統(tǒng)結構Fig.9 Structure of flywheel hybrid mechanical powertrain

3 車用飛輪儲能系統(tǒng)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(tǒng)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(fā)了飛輪并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)[31]，如圖10所示。該系統(tǒng)中飛輪和發(fā)動機并聯(lián)連接，離合器結合時，飛輪與發(fā)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(fā)動機動力與飛輪動力實現(xiàn)解耦。

圖10 洛克希德導彈及宇航公司飛輪混合動力系統(tǒng)Fig.10 Flywheel hybrid powertrain of Lockheed Missiles and Space

1970 年末，威斯康星大學(University of Wisconsin)的Frank和Beachley開發(fā)了一套并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)[11,31]，如圖11 所示。該系統(tǒng)由2.4 L的發(fā)動機和飛輪組成并聯(lián)系統(tǒng)，離合器1為發(fā)動機離合器，離合器2為傳動軸軸離合器，傳統(tǒng)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(fā)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(tǒng)Fig.11 Flywheel hybrid powertrain of University of Wisconsin

1981 年，Hagin 等基于“Gyrobus”汽車開發(fā)了一套飛輪輔助動力系統(tǒng)[31]，如圖12所示。該系統(tǒng)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(fā)動機并聯(lián)，可實現(xiàn)靜壓傳動和液力機械傳動模式。

（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(jīng)行星齒輪排減速后與發(fā)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(fā)動機動力耦合后經(jīng)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(tǒng)，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(lián)）串聯(lián)，并通過錐齒輪與汽車傳動系統(tǒng)動力耦合[32]。柴油發(fā)動機的功率流僅可單向流向傳動系統(tǒng)，經(jīng)CVT 驅動車輪；組合離合器使飛輪能量與傳動系統(tǒng)實現(xiàn)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(tǒng)，也可經(jīng)多片式離合器、分離式離合器實現(xiàn)能量回收。

圖12 Gyrobus飛輪混合動力系統(tǒng)Fig.12 Flywheel hybrid powertrain of Gyrobus

圖13 Greenwood飛輪混合動力系統(tǒng)Fig.13 Flywheel hybrid powertrain of Greenwood

3.2 研發(fā)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(tǒng)，如圖9(b)、(c)所示。這種系統(tǒng)不僅充分發(fā)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(tǒng)功率限制而造成的動力與節(jié)能效果不足問題。此外，系統(tǒng)中飛輪的機械功率可直接耦合到傳統(tǒng)傳動系統(tǒng)，大大提高了車輛的再生制動的效率及加速性能[32]。

2001 年，荷蘭的埃因霍溫理工大學開發(fā)了一種零慣性動力系統(tǒng)，如圖14 所示，CVT 將發(fā)動機工作點控制在最佳效率點附近，但由于系統(tǒng)的非最小相位特性，在加速時存在遲滯現(xiàn)象，而零慣性動力系統(tǒng)可以有效避免車輛加速時由發(fā)動機慣性導致的加速阻力[33-37]。

圖14 零慣性動力系統(tǒng)Fig.14 Flywheel hybrid powertrain with zero inertia

加速時發(fā)動機節(jié)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(tǒng)加速阻力導致的車速降低現(xiàn)象，圖12 在汽車傳統(tǒng)的動力系統(tǒng)外增加了飛輪和行星齒輪排，發(fā)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(jīng)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(fā)了一種并聯(lián)機械式飛輪動力系統(tǒng)[38]，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(huán)形變速器相連，環(huán)形變速器輸出軸與離合器連接，動力經(jīng)耦合器與汽車傳統(tǒng)動力系統(tǒng)耦合。

2009年，F(xiàn)lybrid Systems公司在F1方程式賽車上初裝了該系統(tǒng)，系統(tǒng)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(tǒng)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(jīng)環(huán)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(huán)形變速器釋放，并在主變速器的輸出端和發(fā)動機動力耦合驅動車輪。

圖15 Flybrid Systems公司飛輪混合動力系統(tǒng)Fig.15 Flywheel hybrid powertrain of Flybrid Systems

2010年，基于英國飛輪混合動力系統(tǒng)高級汽車應用項目，捷豹汽車公司開發(fā)出機械式飛輪混合動力系統(tǒng)樣車Jaguar XF[20,39]。該系統(tǒng)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(lián)合Torotrak 公司開發(fā)了新型機械式飛輪混合動力系統(tǒng)(Flywheel KERS)，并安裝到試驗車型S60 T5 的后軸上[40-41]，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(tǒng)進行測試，結果表明該系統(tǒng)能減少25%的油耗。

圖16 Volvo飛輪混合動力系統(tǒng)Fig.16 Flywheel hybrid powertrain of Volvo

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(tǒng)[11]，如圖17所示。該系統(tǒng)中飛輪通過CVT 及離合器與自動變速器輸入軸相連，可實現(xiàn)制動能量回收和發(fā)動機負載點切換。

圖17 搭載ATM的飛輪混合動力系統(tǒng)Fig.17 Flywheel hybrid powertrain with ATM

2014 年，國內的海科新能源公司自主開發(fā)了如圖18 所示的飛輪混合動力系統(tǒng)[42]，標準工況下可實現(xiàn)節(jié)能30%～50%，整車加速性能提高50%～100%。該系統(tǒng)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(tǒng)需求容量降低；③飛輪不需要真空運行環(huán)境，以電機驅動行星齒輪機構取代機械式系統(tǒng)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(xiàn)了系統(tǒng)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(tǒng)Fig.18 Flywheel hybrid powertrain of HAIKE

4 結 論

從對車用飛輪混合動力系統(tǒng)的研究可以看出,飛輪混合動力系統(tǒng)是傳統(tǒng)內燃機汽車理想的二次儲能技術，該系統(tǒng)具有如下優(yōu)勢：①保證主動力源功率穩(wěn)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(tǒng)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(fā)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(tǒng)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(tǒng)，飛輪混合動力系統(tǒng)使用壽命可以滿足車輛全生命周期，且系統(tǒng)維護周期長，環(huán)保無污染。

然而，車用飛輪混合動力系統(tǒng)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(tǒng)的安全性。雖然較于飛輪電池，儲能飛輪的轉速已經(jīng)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(tǒng)布置限制，尺寸不易過大；要想飛輪系統(tǒng)儲存能量最大化則需提高飛輪轉速，這將導致系統(tǒng)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(tǒng)以防止高速飛輪的失效風險十分必要。②系統(tǒng)各部件參數(shù)間的合理匹配。飛輪混合動力系統(tǒng)作為輔助動力源，應用于傳統(tǒng)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(jīng)濟性，而飛輪系統(tǒng)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(tǒng)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(yōu)仍需進一步探討。