車用飛輪混合動力系統的應用進展

　　摘 要：《節能與新能源汽車技術路線(2.0 版)》的發布對汽車節能技術提出了新要求，對于傳統內燃機汽車， 只能通過添加二次能量存儲裝置實現部分制動能量回收。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、環境友好及循環壽命長等優點，從而成為傳統內燃機汽車理想的二次儲 能技術。盡管飛輪儲能技術的應用研究已經取得了一些進展，但目前國內外尚未有詳細的研究來總結其在汽車 工業領域上的應用。

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

　　關鍵詞：混合動力;飛輪儲能;數據檢索;結構特性

　　2019 年國內原油凈進口量已達到 5 億噸，據預測，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 月發布的《節能與新 能源汽車技術路線(2.0 版)》指出，到 2035 年，傳統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]，這對傳統內燃機汽車的節能技術提出了新的要求。

　　動力方向評職知識：動力學論文發表的正規期刊

　　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 副耦合到傳統動力系統中，為主動力系統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]。

　　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時間是相等的，通過充放電持續時 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 次數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%，循環次數超過 10000 次，電池的能量效率約為 60%~90%，循環次數為 1000~4000 次， 燃料電池能量效率低，但循環次數相對較長[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，且循環壽命和能量效率較高。 2009 年 10 月，國際汽車聯合會(Federation Internationale de l'Automobile,FIA)指出了飛輪混合 動力系統車用化的重要性。

　　英國的―技術戰略委員會‖同時贊助了三個關于飛輪混合動力系統的研究項目， 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 動力系統進行了評估，并指出這種高比功率、高能量儲存特性的技術在混合動力車輛具有巨大的應用潛 力上[20-22]。對于傳統內燃機汽車，只能通過添加二次能量存儲設備實現部分制動能量回收，而飛輪儲能 系統是傳統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 國內外數據庫文獻檢索

　　1.1 CNKI 數據庫

　　在中國知網(CNKI)數據庫中以―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，文獻總量有 889 條，其次是機械工業(183 條)、動力工程(174 條)、鐵路運輸(102 條)、自動化技術(99 條)，而汽車工業關于飛輪儲能的研究僅有 97 條。 2000 年以前關于飛輪儲能的期刊論文僅 61 條，其中電力工業 13 條，汽車工業 8 條;2001 至 2010 年間共檢索到期刊論文 279 條，電力工業 97 條，汽車工業 11 條;2011 至 2020 年間檢索到期刊論文 1009 條，電力工業 399 條，汽車工業 32 條。由此可見，近 20 年中飛輪儲能技術的發展較快，且在汽車 工業中得到了快速發展，尤其在電力工業方面發展速度倍增。

　　1.2 Engineering Village 數據庫

　　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，關于飛輪儲能的文獻年發表量低于 50 篇，2000 年以后 發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應用的較為廣泛， 這與中國知網(CNKI)的統計趨勢一致。

　　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)。該數據說明近 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。

　　2 車用飛輪混合動力系統

　　2.1 飛輪混合動力系統結構

　　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結構，即電驅動式及機械式飛輪混合動力 系統。電驅動式飛輪混合動力系統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 中飛輪與車輛驅動系統的能量以機械能-電能-機械能形式轉化，而機械式系統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并初步進行了探索。 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，開發了飛輪并聯式混合動力系統 [31]。該系統中飛輪和發動機并聯連接，離合器結合時，飛輪與發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，發動機動力與飛輪動力實現解耦。

　　4 結 論

　　從對車用飛輪混合動力系統的研究可以看出,飛輪混合動力系統是傳統內燃機汽車理想的二次儲能技 術，該系統具有如下優勢：

　　(1)保證主動力源功率穩定輸出。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，飛輪混合動力系 統使用壽命可以滿足車輛全生命周期，且系統維護周期長，環保無污染。 然而，車用飛輪混合動力系統的推廣受到技術、價格等因素限制，仍需要對以下兩個方面作進一步 研究。

　　(1)飛輪混合動力系統的安全性。雖然較于飛輪電池，儲能飛輪的轉速已經大幅度降低，但車用 飛輪的質量受到汽車輕量化及傳動系統布置限制，尺寸不易過大;要想飛輪系統儲存能量最大化則需提 高飛輪轉速，這將導致系統的失效風險增大。對于高速飛輪的車載應用來說，設計一種輕量、低成本的 密封系統以防止高速飛輪的失效風險十分必要。

　　(2)系統各部件參數間的合理匹配。飛輪混合動力系統 作為輔助動力源，應用于傳統內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濟性， 而飛輪系統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仍需進一步探討。

　　參考文獻

　　[1] 中華人民共和國國務院國有資產監督管理委員會[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.經濟政策不確定性下國際原油價格沖擊對中國股票市場的影響研究[D].徐州:中國礦業大學,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.國際原油價格變動對中國股票市場的影響分析[D].成都:西南財經大學, 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，儲江偉，孫術發，劉賀

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