車(chē)用飛輪混合動(dòng)力系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)展

　　摘 要：《節(jié)能與新能源汽車(chē)技術(shù)路線(2.0 版)》的發(fā)布對(duì)汽車(chē)節(jié)能技術(shù)提出了新要求，對(duì)于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)， 只能通過(guò)添加二次能量存儲(chǔ)裝置實(shí)現(xiàn)部分制動(dòng)能量回收。在幾種典型的儲(chǔ)能方式中，拉貢特性圖表明飛輪儲(chǔ)能 具有高瞬時(shí)功率、高效率、快速響應(yīng)、環(huán)境友好及循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，從而成為傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)?yán)硐氲亩�次�?chǔ) 能技術(shù)。盡管飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用研究已經(jīng)取得了一些進(jìn)展，但目前國(guó)內(nèi)外尚未有詳細(xì)的研究來(lái)總結(jié)其在汽車(chē) 工業(yè)領(lǐng)域上的應(yīng)用。

　　文中基于 CNKI 數(shù)據(jù)庫(kù)、Engineering Village 數(shù)據(jù)庫(kù)及 Web of Science 數(shù)據(jù)庫(kù)以―飛輪儲(chǔ)能‖ 為主題進(jìn)行了數(shù)據(jù)檢索，重點(diǎn)分析了―飛輪儲(chǔ)能‖技術(shù)在汽車(chē)工業(yè)方面的研究進(jìn)展，且檢索數(shù)據(jù)表明，近 20 年來(lái) 車(chē)用飛輪儲(chǔ)能技術(shù)雖為小眾研究方向，但一直都在探索中。針對(duì)電驅(qū)動(dòng)式和機(jī)械式兩種典型的飛輪混合動(dòng)力系 統(tǒng)，重點(diǎn)關(guān)注了機(jī)械式飛輪混合動(dòng)力系統(tǒng)在汽車(chē)領(lǐng)域內(nèi)的探索、研究及驗(yàn)證歷程，并詳細(xì)闡述了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 特點(diǎn)、研究現(xiàn)狀及未來(lái)研究趨勢(shì)。綜合分析表明，機(jī)械式系統(tǒng)通過(guò)飛輪與車(chē)輛傳動(dòng)系統(tǒng)間的純機(jī)械連接，不僅 解決了電驅(qū)動(dòng)式中因電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功率限制而造成的動(dòng)力與節(jié)能效果不足問(wèn)題，還提高了車(chē)用飛輪混合動(dòng)力系統(tǒng) 能量轉(zhuǎn)化效率。

　　關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力;飛輪儲(chǔ)能;數(shù)據(jù)檢索;結(jié)構(gòu)特性

　　2019 年國(guó)內(nèi)原油凈進(jìn)口量已達(dá)到 5 億噸，據(jù)預(yù)測(cè)，2030 年中國(guó)的石油進(jìn)口將達(dá) 8 億噸，占總消耗 量的 80%[1-3]。事實(shí)上，車(chē)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(chē)輛能源 利用率成為我國(guó)降低石油消耗對(duì)外依存度、解決能源危機(jī)的重中之重。2020 年 10 月發(fā)布的《節(jié)能與新 能源汽車(chē)技術(shù)路線(2.0 版)》指出，到 2035 年，傳統(tǒng)能源乘用車(chē)的平均油耗需達(dá)到 4 L/100 km，載貨 商用車(chē)油耗較 2010 年降低 15%~20%[4]，這對(duì)傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)的節(jié)能技術(shù)提出了新的要求。

　　動(dòng)力方向評(píng)職知識(shí)：動(dòng)力學(xué)論文發(fā)表的正規(guī)期刊

　　混合動(dòng)力汽車(chē)技術(shù)是提高汽車(chē)運(yùn)行效率和運(yùn)行品質(zhì)的有效方法[5-6]，包括主流的電動(dòng)混合動(dòng)力技術(shù)和 機(jī)械混合動(dòng)力技術(shù)[7-10]。機(jī)械混合動(dòng)力系統(tǒng)由一個(gè)大功率儲(chǔ)能裝置和一個(gè)無(wú)級(jí)變速器(CVT)或一個(gè)齒輪 副耦合到傳統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)中，為主動(dòng)力系統(tǒng)提供額外的功率需求。典型的儲(chǔ)能技術(shù)主要有物理儲(chǔ)能(如抽 水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能)、化學(xué)儲(chǔ)能(如蓄電池、燃料電池、液流電池、超級(jí)電容)和電磁 儲(chǔ)能(如超導(dǎo)電磁儲(chǔ)能)等[11-13]。而車(chē)用儲(chǔ)能裝置則由其儲(chǔ)能特性決定，即儲(chǔ)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(duì)儲(chǔ)能裝置比功率和比能量進(jìn)行初始評(píng)估，并依照比能量與比功率的比值定義放電 時(shí)間[15-17]，每條虛對(duì)角線上的充放電持續(xù)時(shí)間是相等的，通過(guò)充放電持續(xù)時(shí) 間的識(shí)別確定所選擇的儲(chǔ)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(píng)估儲(chǔ)能裝置的儲(chǔ)能特性，放電深度為 80%時(shí)，超級(jí)電容和飛輪的能量效 率可達(dá)到 95%，循環(huán)次數(shù)超過(guò) 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(duì)較長(zhǎng)[18-19]。

　　目前，動(dòng)力電池和超級(jí)電容作為汽車(chē)用的主流儲(chǔ)能裝 置，可滿足車(chē)輛不同工況下的能量需求，但無(wú)法同時(shí)兼顧比功率和比能量要求;而飛輪能夠以相對(duì)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(guó)際汽車(chē)聯(lián)合會(huì)(Federation Internationale de l'Automobile,FIA)指出了飛輪混合 動(dòng)力系統(tǒng)車(chē)用化的重要性。

　　英國(guó)的―技術(shù)戰(zhàn)略委員會(huì)‖同時(shí)贊助了三個(gè)關(guān)于飛輪混合動(dòng)力系統(tǒng)的研究項(xiàng)目， 且掌握了大量車(chē)用飛輪混合動(dòng)力先進(jìn)技術(shù)。2011 年 12 月美國(guó)能源部委托橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室對(duì)飛輪混合 動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行了評(píng)估，并指出這種高比功率、高能量?jī)?chǔ)存特性的技術(shù)在混合動(dòng)力車(chē)輛具有巨大的應(yīng)用潛 力上[20-22]。對(duì)于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)，只能通過(guò)添加二次能量存儲(chǔ)設(shè)備實(shí)現(xiàn)部分制動(dòng)能量回收，而飛輪儲(chǔ)能 系統(tǒng)是傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)?yán)硐氲亩�次�?chǔ)能技術(shù)，它能夠?qū)⑵��?chē)減速時(shí)的動(dòng)能以機(jī)械能形式存儲(chǔ)及傳輸。

　　1 國(guó)內(nèi)外數(shù)據(jù)庫(kù)文獻(xiàn)檢索

　　1.1 CNKI 數(shù)據(jù)庫(kù)

　　在中國(guó)知網(wǎng)(CNKI)數(shù)據(jù)庫(kù)中以―飛輪儲(chǔ)能‖為主題搜索到文獻(xiàn)共 2028 條，其中期刊文獻(xiàn) 1415 條。 飛輪儲(chǔ)能研究多集中于電力工業(yè)，文獻(xiàn)總量有 889 條，其次是機(jī)械工業(yè)(183 條)、動(dòng)力工程(174 條)、鐵路運(yùn)輸(102 條)、自動(dòng)化技術(shù)(99 條)，而汽車(chē)工業(yè)關(guān)于飛輪儲(chǔ)能的研究?jī)H有 97 條。 2000 年以前關(guān)于飛輪儲(chǔ)能的期刊論文僅 61 條，其中電力工業(yè) 13 條，汽車(chē)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(chē)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(chē)工業(yè) 32 條。由此可見(jiàn)，近 20 年中飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展較快，且在汽車(chē) 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(kù)

　　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(chǔ)能的文獻(xiàn)年發(fā)表量低于 50 篇，2000 年以后 發(fā)表的文獻(xiàn)量快速增加。對(duì)上述 3180 條文獻(xiàn)分類(lèi)分析后，列出了部分分類(lèi)碼下的文獻(xiàn)收錄量，其中分類(lèi)號(hào)-機(jī)械設(shè)備 (Mechanical Devices)下檢索出文獻(xiàn)量最多(1785 條)，即飛輪儲(chǔ)能技術(shù)在電力工業(yè)應(yīng)用的較為廣泛， 這與中國(guó)知網(wǎng)(CNKI)的統(tǒng)計(jì)趨勢(shì)一致。

　　分類(lèi)號(hào)-汽車(chē)下的文獻(xiàn)檢索量為 72 條，其中 2001 年至 2020 年 檢索文獻(xiàn)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(shuō)明近 20 年來(lái)汽車(chē)用飛輪儲(chǔ)能技術(shù)雖為小眾研究方向，但一直都在探索中。

　　2 車(chē)用飛輪混合動(dòng)力系統(tǒng)

　　2.1 飛輪混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室提出了兩種典型飛輪混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，即電驅(qū)動(dòng)式及機(jī)械式飛輪混合動(dòng)力 系統(tǒng)。電驅(qū)動(dòng)式飛輪混合動(dòng)力系統(tǒng)與飛輪電池結(jié)構(gòu)類(lèi)似，但其飛輪所儲(chǔ)存的能量?jī)H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(jì)，安全性較飛輪電池高。電驅(qū)動(dòng)式系統(tǒng) 中飛輪與車(chē)輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的能量以機(jī)械能-電能-機(jī)械能形式轉(zhuǎn)化，而機(jī)械式系統(tǒng)中飛輪的機(jī)械能通過(guò)無(wú)級(jí)變 速器(Continuously Variable Transmission, CVT)直接驅(qū)動(dòng)車(chē)輛，兩者的區(qū)別在于飛輪能量輸入/輸出的 方式不同。

　　3 車(chē)用飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)研究進(jìn)展

　　3.1 初期探索階段

　　20 世紀(jì) 60 年代來(lái)，國(guó)外科研人員提出了多種車(chē)用飛輪混合動(dòng)力系統(tǒng)并初步進(jìn)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(dòng)力汽車(chē)概念，開(kāi)發(fā)了飛輪并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng) [31]。該系統(tǒng)中飛輪和發(fā)動(dòng)機(jī)并聯(lián)連接，離合器結(jié)合時(shí)，飛輪與發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力耦合后可通過(guò)傳 動(dòng)軸傳遞給后驅(qū)動(dòng)橋。離合器斷開(kāi)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力與飛輪動(dòng)力實(shí)現(xiàn)解耦。

　　4 結(jié) 論

　　從對(duì)車(chē)用飛輪混合動(dòng)力系統(tǒng)的研究可以看出,飛輪混合動(dòng)力系統(tǒng)是傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)?yán)硐氲亩�次�?chǔ)能技 術(shù)，該系統(tǒng)具有如下優(yōu)勢(shì)：

　　(1)保證主動(dòng)力源功率穩(wěn)定輸出。車(chē)輛處于起步、加速和爬坡工況時(shí)，飛輪 混合動(dòng)力系統(tǒng)可以為主動(dòng)力源提供輔助動(dòng)力，進(jìn)行瞬時(shí)大功率補(bǔ)償，減少主動(dòng)力源動(dòng)力輸出損耗。即在 保證同等動(dòng)力性的前提下可以降低發(fā)動(dòng)機(jī)排量，無(wú)需大后備功率的儲(chǔ)備。

　　(2)提高能量轉(zhuǎn)換效率。由于 飛輪的比功率遠(yuǎn)高于電池，在車(chē)輛下坡和制動(dòng)時(shí)，飛輪混合動(dòng)力系統(tǒng)能夠以機(jī)械能的形式快速儲(chǔ)能，儲(chǔ) 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(duì)于電動(dòng)混合動(dòng)力系統(tǒng)，飛輪混合動(dòng)力系 統(tǒng)使用壽命可以滿足車(chē)輛全生命周期，且系統(tǒng)維護(hù)周期長(zhǎng)，環(huán)保無(wú)污染。 然而，車(chē)用飛輪混合動(dòng)力系統(tǒng)的推廣受到技術(shù)、價(jià)格等因素限制，仍需要對(duì)以下兩個(gè)方面作進(jìn)一步 研究。

　　(1)飛輪混合動(dòng)力系統(tǒng)的安全性。雖然較于飛輪電池，儲(chǔ)能飛輪的轉(zhuǎn)速已經(jīng)大幅度降低，但車(chē)用 飛輪的質(zhì)量受到汽車(chē)輕量化及傳動(dòng)系統(tǒng)布置限制，尺寸不易過(guò)大;要想飛輪系統(tǒng)儲(chǔ)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(xiǎn)增大。對(duì)于高速飛輪的車(chē)載應(yīng)用來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)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(xiǎn)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(dòng)力系統(tǒng) 作為輔助動(dòng)力源，應(yīng)用于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)的目標(biāo)在于保證車(chē)輛動(dòng)力性的前提下盡可能的提高燃油經(jīng)濟(jì)性， 而飛輪系統(tǒng)質(zhì)量的額外增加卻與車(chē)輛輕量化的目標(biāo)相沖突，如何合理控制飛輪混合動(dòng)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(biāo)下的性價(jià)比達(dá)到最優(yōu)仍需進(jìn)一步探討。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 中華人民共和國(guó)國(guó)務(wù)院國(guó)有資產(chǎn)監(jiān)督管理委員會(huì)[EB/OL]. [2020-11-25]. http://www.sasac.gov.cn/n2588025/n2588124/c8492471/content.html. State-owned Assets Supervision Administration Commission of the State Council[EB/OL]. [2020-11-25].http://www.sasac.gov.cn/n2588025/n2588124/c8492471/content.html.

　　[2] 劉振華.經(jīng)濟(jì)政策不確定性下國(guó)際原油價(jià)格沖擊對(duì)中國(guó)股票市場(chǎng)的影響研究[D].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué),2019. LIU Zhenghua. Research on the Impacts of International Crude Oil Price Shocks on China's Stock Market under Economic Policy Uncertainty[D]. Xuzhou: China University of Mining and Technology, 2019.

　　[3] 曹紅.國(guó)際原油價(jià)格變動(dòng)對(duì)中國(guó)股票市場(chǎng)的影響分析[D].成都:西南財(cái)經(jīng)大學(xué), 2014. CAO Hong. The Impacts of International Crude Oil Price Shocks on Chinese Stock Market[D]. Chengdu: Southwestern University of Finance and Economics, 2014.

　　作者：李紅，儲(chǔ)江偉，孫術(shù)發(fā)，劉賀

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