車用飛輪混合動力系統(tǒng)的應(yīng)用進展

　　摘 要：《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線(2.0 版)》的發(fā)布對汽車節(jié)能技術(shù)提出了新要求，對于傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車， 只能通過添加二次能量存儲裝置實現(xiàn)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(yīng)、環(huán)境友好及循環(huán)壽命長等優(yōu)點，從而成為傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車理想的二次儲 能技術(shù)。盡管飛輪儲能技術(shù)的應(yīng)用研究已經(jīng)取得了一些進展，但目前國內(nèi)外尚未有詳細的研究來總結(jié)其在汽車 工業(yè)領(lǐng)域上的應(yīng)用。

　　文中基于 CNKI 數(shù)據(jù)庫、Engineering Village 數(shù)據(jù)庫及 Web of Science 數(shù)據(jù)庫以―飛輪儲能‖ 為主題進行了數(shù)據(jù)檢索，重點分析了―飛輪儲能‖技術(shù)在汽車工業(yè)方面的研究進展，且檢索數(shù)據(jù)表明，近 20 年來 車用飛輪儲能技術(shù)雖為小眾研究方向，但一直都在探索中。針對電驅(qū)動式和機械式兩種典型的飛輪混合動力系 統(tǒng)，重點關(guān)注了機械式飛輪混合動力系統(tǒng)在汽車領(lǐng)域內(nèi)的探索、研究及驗證歷程，并詳細闡述了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 特點、研究現(xiàn)狀及未來研究趨勢。綜合分析表明，機械式系統(tǒng)通過飛輪與車輛傳動系統(tǒng)間的純機械連接，不僅 解決了電驅(qū)動式中因電驅(qū)動系統(tǒng)功率限制而造成的動力與節(jié)能效果不足問題，還提高了車用飛輪混合動力系統(tǒng) 能量轉(zhuǎn)化效率。

　　關(guān)鍵詞：混合動力;飛輪儲能;數(shù)據(jù)檢索;結(jié)構(gòu)特性

　　2019 年國內(nèi)原油凈進口量已達到 5 億噸，據(jù)預(yù)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(dǎo)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(shù)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(nèi)燃機汽車的節(jié)能技術(shù)提出了新的要求。

　　動力方向評職知識：動力學(xué)論文發(fā)表的正規(guī)期刊

　　混合動力汽車技術(shù)是提高汽車運行效率和運行品質(zhì)的有效方法[5-6]，包括主流的電動混合動力技術(shù)和 機械混合動力技術(shù)[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(shù)主要有物理儲能(如抽 水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能)、化學(xué)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(dǎo)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]。

　　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]，每條虛對角線上的充放電持續(xù)時間是相等的，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(zhì)量滿足能量或功率需求。此外，能量效率和預(yù)期循環(huán) 次數(shù)也可以評估儲能裝置的儲能特性，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。 2009 年 10 月，國際汽車聯(lián)合會(Federation Internationale de l'Automobile,FIA)指出了飛輪混合 動力系統(tǒng)車用化的重要性。

　　英國的―技術(shù)戰(zhàn)略委員會‖同時贊助了三個關(guān)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(shù)。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、高能量儲存特性的技術(shù)在混合動力車輛具有巨大的應(yīng)用潛 力上[20-22]。對于傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車，只能通過添加二次能量存儲設(shè)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(nèi)燃機汽車理想的二次儲能技術(shù)，它能夠?qū)⑵�車減速時的動能以機械能形式存儲及傳輸。

　　1 國內(nèi)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(shù)(99 條)，而汽車工業(yè)關(guān)于飛輪儲能的研究僅有 97 條。 2000 年以前關(guān)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;2001 至 2010 年間共檢索到期刊論文 279 條，電力工業(yè) 97 條，汽車工業(yè) 11 條;2011 至 2020 年間檢索到期刊論文 1009 條，電力工業(yè) 399 條，汽車工業(yè) 32 條。由此可見，近 20 年中飛輪儲能技術(shù)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)。2000 年之前，關(guān)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。對上述 3180 條文獻分類分析后，列出了部分分類碼下的文獻收錄量，其中分類號-機械設(shè)備 (Mechanical Devices)下檢索出文獻量最多(1785 條)，即飛輪儲能技術(shù)在電力工業(yè)應(yīng)用的較為廣泛， 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 年至 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(shù)雖為小眾研究方向，但一直都在探索中。

　　2 車用飛輪混合動力系統(tǒng)

　　2.1 飛輪混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　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(jié)構(gòu)，即電驅(qū)動式及機械式飛輪混合動力 系統(tǒng)。電驅(qū)動式飛輪混合動力系統(tǒng)與飛輪電池結(jié)構(gòu)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(yīng)可忽略不計，安全性較飛輪電池高。電驅(qū)動式系統(tǒng) 中飛輪與車輛驅(qū)動系統(tǒng)的能量以機械能-電能-機械能形式轉(zhuǎn)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(qū)動車輛，兩者的區(qū)別在于飛輪能量輸入/輸出的 方式不同。

　　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。 1971 年，洛克希德導(dǎo)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]。該系統(tǒng)中飛輪和發(fā)動機并聯(lián)連接，離合器結(jié)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(qū)動橋。離合器斷開時，發(fā)動機動力與飛輪動力實現(xiàn)解耦。

　　4 結(jié) 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(nèi)燃機汽車理想的二次儲能技 術(shù)，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(zhuǎn)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(zhì)‖化學(xué)反應(yīng)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(shù)、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(zhuǎn)速已經(jīng)大幅度降低，但車用 飛輪的質(zhì)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(zhuǎn)速，這將導(dǎo)致系統(tǒng)的失效風(fēng)險增大。對于高速飛輪的車載應(yīng)用來說，設(shè)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(fēng)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(yīng)用于傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車的目標在于保證車輛動力性的前提下盡可能的提高燃油經(jīng)濟性， 而飛輪系統(tǒng)質(zhì)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(zhì)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。

　　參考文獻

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　　作者：李紅，儲江偉，孫術(shù)發(fā)，劉賀

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