摘 要：《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線（2.0版）》的發(fā)布對(duì)汽車節(jié)能技術(shù)提出了新要求，對(duì)于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車，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?yán)硐氲亩蝺?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)能效果不足問題，還提高了車用飛輪混合動(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%。事實(shí)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(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(dá)到4 L/100 km，載貨商用車油耗較2010年降低15%～20%，這對(duì)傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的節(jié)能技術(shù)提出了新的要求。
混合動(dòng)力汽車技術(shù)是提高汽車運(yùn)行效率和運(yùn)行品質(zhì)的有效方法，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)。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。而車用儲(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，各儲(chǔ)能技術(shù)的儲(chǔ)能特性如圖1所示。
圖1 儲(chǔ)能裝置儲(chǔ)能特性對(duì)比
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，即圖1(a)中的虛對(duì)角線，每條虛對(duì)角線上的充放電持續(xù)時(shí)間相等，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，如圖1(b)所示，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)。目前，動(dòng)力電池和超級(jí)電容作為汽車用的主流儲(chǔ)能裝置，可滿足車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)際汽車聯(lián)合會(huì)(Federation Internationale de l'Automobile，F(xiàn)IA)指出了飛輪混合動(dòng)力系統(tǒng)車用化的重要性。英國(guó)的“技術(shù)戰(zhàn)略委員會(huì)”同時(shí)贊助了3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、高比能量?jī)?chǔ)存特性的技術(shù)在混合動(dòng)力車輛上具有巨大的應(yīng)用潛力。對(duì)于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車，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?yán)硐氲亩蝺?chǔ)能技術(shù)，它能夠?qū)⑵嚋p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），而汽車工業(yè)關(guān)于飛輪儲(chǔ)能的研究?jī)H有97條，如圖2所示。
圖2 發(fā)表文獻(xiàn)分類分布
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(chǔ)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(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），各年份論文發(fā)表數(shù)量如圖3所示。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。
圖3 發(fā)表文獻(xiàn)年分布
對(duì)上述3180條文獻(xiàn)分類分析后，圖4中列出了部分分類碼下的文獻(xiàn)收錄量，其中分類號(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)用得較為廣泛，這與中國(guó)知網(wǎng)(CNKI)的統(tǒng)計(jì)趨勢(shì)一致。分類號(hào)-汽車下的文獻(xiàn)檢索量為72條，其中2001—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。
圖4 發(fā)表文獻(xiàn)分類分布
1.3 Web of Science數(shù)據(jù)庫(kù)
Web of Science所有數(shù)據(jù)庫(kù)中“主題”包含“flywheel energy storage”的文獻(xiàn)檢索量為1316條（1984—2021年），文獻(xiàn)年發(fā)表量如圖5所示。
圖5 發(fā)表文獻(xiàn)年分布
圖5表明，自2000年后關(guān)于飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的文獻(xiàn)發(fā)表量呈線性增加趨勢(shì)，且2018年達(dá)到124篇，這與EI數(shù)據(jù)庫(kù)的統(tǒng)計(jì)趨勢(shì)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(dòng)化控制系統(tǒng)311條，機(jī)械工程文獻(xiàn)檢索量為74條，交通運(yùn)輸方向39條。上述檢索數(shù)據(jù)表明汽車用飛輪儲(chǔ)能技術(shù)方向的文獻(xiàn)發(fā)表量同中國(guó)知網(wǎng)(CNKI)及EI數(shù)據(jù)庫(kù)的文獻(xiàn)發(fā)表數(shù)量基本一致，即國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)一致。
圖6 發(fā)表文獻(xiàn)分類分布
2 車用飛輪混合動(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)，如圖7所示。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(shù)特性見表1。
圖7 飛輪混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
(a) 電驅(qū)動(dòng)式 (b) 機(jī)械式
表1 飛輪混合動(dòng)力系統(tǒng)的技術(shù)特性對(duì)比
2.2 電驅(qū)動(dòng)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)結(jié)構(gòu)與飛輪電池類似，都是通過(guò)電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)和電力電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。車輛再生制動(dòng)能量的回收及飛輪能量的釋放均需通過(guò)動(dòng)能與電能的轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)，能量傳遞效率低，且功率大小完全取決于電力傳動(dòng)系統(tǒng)的容量。該結(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)集成度要求不高，且能量釋放值相對(duì)較大。圖8為英國(guó)威廉姆斯混合動(dòng)力有限公司設(shè)計(jì)的一種電驅(qū)動(dòng)式飛輪混合動(dòng)力系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用了獨(dú)特的飛輪結(jié)構(gòu)，將調(diào)速電機(jī)內(nèi)置于飛輪內(nèi)部，電機(jī)轉(zhuǎn)子與飛輪轉(zhuǎn)子做成一個(gè)整體。
圖8 電驅(qū)動(dòng)式飛輪混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
飛輪混合動(dòng)力系統(tǒng)與飛輪電池的關(guān)鍵不同在于：飛輪電池側(cè)重高能量?jī)?chǔ)備、低能量耗散特性，其飛輪質(zhì)量更大，工作轉(zhuǎn)速更高，從而導(dǎo)致陀螺效應(yīng)較大，安全性較難保障，且系統(tǒng)的成本較高。而飛輪混合動(dòng)力系統(tǒng)的功率密度大，能夠較好滿足車輛加速時(shí)短時(shí)高功率需求，可在制動(dòng)工況下回收動(dòng)能，避免了飛輪電池對(duì)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子質(zhì)量和低能量耗散的要求。
2.3 機(jī)械式飛輪混合動(dòng)力系統(tǒng)
機(jī)械式飛輪混合動(dòng)力系統(tǒng)由于不需要電機(jī)/發(fā)電機(jī)、電力電子設(shè)備等部件，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊及質(zhì)量輕的特點(diǎn)。汽車減速時(shí)，車輛傳動(dòng)系統(tǒng)具有的動(dòng)能直接以機(jī)械能的形式儲(chǔ)存于飛輪中；加速或爬坡狀態(tài)下，旋轉(zhuǎn)的飛輪作為輔助動(dòng)力源經(jīng)離合器（或CVT）與傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力耦合，為發(fā)動(dòng)機(jī)提供瞬時(shí)大功率補(bǔ)償。由于飛輪與傳動(dòng)系統(tǒng)間的能量轉(zhuǎn)換形式并未發(fā)生改變，故其能量傳遞效率優(yōu)于電驅(qū)動(dòng)式。機(jī)械式飛輪混合動(dòng)力系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)如圖9所示。
圖9 機(jī)械式飛輪混合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
圖9(a)并聯(lián)式Ⅰ中發(fā)動(dòng)機(jī)與飛輪通過(guò)離合器與動(dòng)力耦合器耦合或解耦，低負(fù)荷時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)可以運(yùn)行在經(jīng)濟(jì)區(qū)域內(nèi)，并同時(shí)為飛輪充電；大負(fù)荷時(shí)，飛輪可為發(fā)動(dòng)機(jī)提供額外的后備功率。該結(jié)構(gòu)形式缺點(diǎn)是飛輪的轉(zhuǎn)速不可調(diào)，且動(dòng)力耦合輸出時(shí)控制策略相對(duì)復(fù)雜。并聯(lián)式Ⅱ中發(fā)動(dòng)機(jī)功率點(diǎn)可通過(guò)CVT調(diào)節(jié)，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在經(jīng)濟(jì)區(qū)域內(nèi)，且飛輪轉(zhuǎn)速可調(diào)，但CVT的存在會(huì)降低能量轉(zhuǎn)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(dòng)系統(tǒng)集成及實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回收，但發(fā)動(dòng)機(jī)功率點(diǎn)不易調(diào)節(jié)。
3 車用飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)研究進(jìn)展
3.1 初期探索階段
20世紀(jì)60年代以來(lái)，國(guó)外科研人員提出了多種車用飛輪混合動(dòng)力系統(tǒng)并初步進(jìn)行了探索，以下應(yīng)用實(shí)例均為圖9(a)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。
1971年，洛克希德導(dǎo)彈及宇航公司提出了飛輪混合動(dòng)力汽車概念，開發(fā)了飛輪并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)，如圖10所示。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。離合器斷開時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力與飛輪動(dòng)力實(shí)現(xiàn)解耦。
圖10 洛克希德導(dǎo)彈及宇航公司飛輪混合動(dòng)力系統(tǒng)
1970年末，威斯康星大學(xué)(University of Wisconsin)的Frank和Beachley開發(fā)了一套并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)，如圖11所示。該系統(tǒng)由2.4 L的發(fā)動(dòng)機(jī)和飛輪組成并聯(lián)系統(tǒng)，離合器1為發(fā)動(dòng)機(jī)離合器，離合器2為傳動(dòng)軸軸離合器，傳統(tǒng)四速變速器與液壓功率分流器組成無(wú)級(jí)變速單元。汽車怠速時(shí)離合器1結(jié)合，發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)飛輪旋轉(zhuǎn)，回收部分怠速動(dòng)能，離合器2結(jié)合時(shí)飛輪動(dòng)力輸出。
圖11 威斯康星大學(xué)飛輪混合動(dòng)力系統(tǒng)
1981年，Hagin等基于“Gyrobus”汽車開發(fā)了一套飛輪輔助動(dòng)力系統(tǒng)，如圖12所示。該系統(tǒng)儲(chǔ)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(dòng)機(jī)并聯(lián)，可實(shí)現(xiàn)靜壓傳動(dòng)和液力機(jī)械傳動(dòng)模式。
圖12 Gyrobus飛輪混合動(dòng)力系統(tǒng)
（1）靜壓傳動(dòng)模式：離合器1結(jié)合，離合器2、3斷開，飛輪動(dòng)力經(jīng)行星齒輪排減速后與發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力耦合，最后通過(guò)齒輪副1、2輸出到驅(qū)動(dòng)橋。
（2）液力機(jī)械傳動(dòng)模式：離合器1、2、3結(jié)合，飛輪與發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力耦合后經(jīng)離合器2、行星齒輪架輸入，太陽(yáng)輪輸出后傳遞給離合器3，最后由齒輪副2增扭后驅(qū)動(dòng)車輪。
1986年Greenwood提出了一種概念式飛輪混合動(dòng)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(guò)錐齒輪與汽車傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力耦合。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的功率流僅可單向流向傳動(dòng)系統(tǒng)，經(jīng)CVT驅(qū)動(dòng)車輪；組合離合器使飛輪能量與傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)雙向傳遞，飛輪即可通過(guò)分離式離合器、超越離合器將能量傳遞到傳動(dòng)系統(tǒng)，也可經(jīng)多片式離合器、分離式離合器實(shí)現(xiàn)能量回收。
圖13 Greenwood飛輪混合動(dòng)力系統(tǒng)
3.2 研發(fā)階段
21世紀(jì)初，國(guó)內(nèi)外汽車公司或研究機(jī)構(gòu)基于先進(jìn)的變速器控制技術(shù)設(shè)計(jì)了多種飛輪混動(dòng)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(dòng)汽車中因電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功率限制而造成的動(dòng)力與節(jié)能效果不足問題。此外，系統(tǒng)中飛輪的機(jī)械功率可直接耦合到傳統(tǒng)傳動(dòng)系統(tǒng)，大大提高了車輛的再生制動(dòng)的效率及加速性能。
2001年，荷蘭的埃因霍溫理工大學(xué)開發(fā)了一種零慣性動(dòng)力系統(tǒng)，如圖14所示，CVT將發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)控制在最佳效率點(diǎn)附近，但由于系統(tǒng)的非最小相位特性，在加速時(shí)存在遲滯現(xiàn)象，而零慣性動(dòng)力系統(tǒng)可以有效避免車輛加速時(shí)由發(fā)動(dòng)機(jī)慣性導(dǎo)致的加速阻力。
圖14 零慣性動(dòng)力系統(tǒng)
加速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)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(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩。為了避免加速時(shí)系統(tǒng)加速阻力導(dǎo)致的車速降低現(xiàn)象，圖12在汽車傳統(tǒng)的動(dòng)力系統(tǒng)外增加了飛輪和行星齒輪排，發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)齒輪副1與行星齒輪排齒圈外嚙合，飛輪與太陽(yáng)輪軸連接。汽車加速時(shí)，旋轉(zhuǎn)的飛輪帶動(dòng)行星架轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)齒輪副2、主減速器、差速器、半軸驅(qū)動(dòng)車輪，提供額外動(dòng)力。
3.3 驗(yàn)證階段
2008年，英國(guó)Flybrid Systems公司開發(fā)了一種并聯(lián)機(jī)械式飛輪動(dòng)力系統(tǒng)，如圖15所示。飛輪由纏繞在鋼輪轂上的碳纖維構(gòu)成，工作轉(zhuǎn)速為35000 r/min（極限轉(zhuǎn)速可達(dá)64500 r/min），飛輪通過(guò)齒輪副1以固定傳動(dòng)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(dòng)力經(jīng)耦合器與汽車傳統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)耦合。
圖15 Flybrid Systems公司飛輪混合動(dòng)力系統(tǒng)
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(dá)到97 kW。2011年6月，配備Flybrid飛輪混合動(dòng)力系統(tǒng)的賽車成功完成了勒芒24小時(shí)拉力賽，成為首臺(tái)在該項(xiàng)賽事上跑完全程的混合動(dòng)力賽車。當(dāng)賽車彎道制動(dòng)時(shí)，車身動(dòng)能經(jīng)環(huán)形變速器儲(chǔ)存于飛輪中，真空殼體中的飛輪高速旋轉(zhuǎn)蓄能。當(dāng)賽車出彎道加速時(shí)，飛輪儲(chǔ)存的能量通過(guò)環(huán)形變速器釋放，并在主變速器的輸出端和發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力耦合驅(qū)動(dòng)車輪。
2010年，基于英國(guó)飛輪混合動(dòng)力系統(tǒng)高級(jí)汽車應(yīng)用項(xiàng)目，捷豹汽車公司開發(fā)出機(jī)械式飛輪混合動(dòng)力系統(tǒng)樣車Jaguar XF。該系統(tǒng)總重約為65 kg，高速飛輪能夠在7 s的時(shí)間內(nèi)輸出60 kW的瞬時(shí)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(jī)械式飛輪混合動(dòng)力系統(tǒng)(Flywheel KERS)，并安裝到試驗(yàn)車型S60 T5的后軸上，如圖16所示。沃爾沃公司對(duì)其用于汽車的飛輪動(dòng)能回收系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明該系統(tǒng)能減少25%的油耗。
圖16 Volvo飛輪混合動(dòng)力系統(tǒng)
2012年博洛尼亞大學(xué)研制了一種搭載AMT的飛輪混合動(dòng)力系統(tǒng)，如圖17所示。該系統(tǒng)中飛輪通過(guò)CVT及離合器與自動(dòng)變速器輸入軸相連，可實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回收和發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載點(diǎn)切換。
圖17 搭載ATM的飛輪混合動(dòng)力系統(tǒng)
2014年，國(guó)內(nèi)的?？菩履茉垂咀灾鏖_發(fā)了如圖18所示的飛輪混合動(dòng)力系統(tǒng)，標(biāo)準(zhǔn)工況下可實(shí)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(diǎn)：①通過(guò)行星齒輪機(jī)構(gòu)以機(jī)械耦合的方式直接進(jìn)行動(dòng)能傳輸，制動(dòng)動(dòng)能利用效率較高；②飛輪控制電機(jī)能夠進(jìn)行輔助功率和能量管理，使得電力傳動(dòng)系統(tǒng)需求容量降低；③飛輪不需要真空運(yùn)行環(huán)境，以電機(jī)驅(qū)動(dòng)行星齒輪機(jī)構(gòu)取代機(jī)械式系統(tǒng)中的CVT，通過(guò)電機(jī)按需實(shí)時(shí)補(bǔ)充飛輪能量；④通過(guò)飛輪控制電機(jī)的矢量控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)理想的平順性和一致性；⑤儲(chǔ)能飛輪的極限轉(zhuǎn)速僅為25000 r/min，其離心強(qiáng)度較大。
圖18 ?？骑w輪混合動(dòng)力系統(tǒng)
4 結(jié) 論
從對(duì)車用飛輪混合動(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?yán)硐氲亩蝺?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，但車用飛輪的質(zhì)量受到汽車輕量化及傳動(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)汽車的目標(biāo)在于保證車輛動(dòng)力性的前提下盡可能地提高燃油經(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。
引用本文： 李紅,儲(chǔ)江偉,孫術(shù)發(fā)等.車用飛輪混合動(dòng)力系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)展[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù),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：李紅（1989—），女，博士研究生，講師，研究方向?yàn)檩d運(yùn)工具運(yùn)用工程品質(zhì)控制理論與方法，E-mail：lihong9012@163.com；通信作者：儲(chǔ)江偉，教授，研究方向?yàn)檩d運(yùn)工具運(yùn)用工程品質(zhì)控制理論與方法，E-mail：cjw_62@163.com。
