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(jī)汽車，只能通過添加二次能量存儲裝置實(shí)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(shí)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(diǎn)，從而成為傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車?yán)硐氲亩蝺δ芗夹g(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(jìn)展，但目前國內(nèi)外尚未有詳細(xì)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(jìn)行了數(shù)據(jù)檢索，重點(diǎn)分析了“飛輪儲能”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(jī)械式兩種典型的飛輪混合動力系統(tǒng)，重點(diǎn)關(guān)注了機(jī)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(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)狀及未來研究趨勢。綜合分析表明，機(jī)械式系統(tǒng)通過飛輪與車輛傳動系統(tǒng)間的純機(jī)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(jìn)口量已達(dá)到5億噸，據(jù)預(yù)測，2030年中國的石油進(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降低石油消耗對外依存度、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，包括主流的電動混合動力技術(shù)和機(jī)械混合動力技術(shù)。機(jī)械混合動力系統(tǒng)由一個(gè)大功率儲能裝置和一個(gè)無級變速器（CVT）或一個(gè)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。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，各儲能技術(shù)的儲能特性如圖1所示。
圖1 儲能裝置儲能特性對比
拉貢特性圖可以對儲能裝置比功率和比能量進(jìn)行初始評估，并依照比能量與比功率的比值定義放電時(shí)間，即圖1(a)中的虛對角線，每條虛對角線上的充放電持續(xù)時(shí)間相等，通過充放電持續(xù)時(shí)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，如圖1(b)所示，放電深度為80%時(shí)，超級電容和飛輪的能量效率可達(dá)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。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(shí)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，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(shù)戰(zhàn)略委員會”同時(shí)贊助了3個(gè)關(guān)于飛輪混合動力系統(tǒng)的研究項(xiàng)目，且掌握了大量車用飛輪混合動力先進(jìn)技術(shù)。2011年12月美國能源部委托橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室對飛輪混合動力系統(tǒng)進(jìn)行了評估，并指出這種高比功率、高比能量儲存特性的技術(shù)在混合動力車輛上具有巨大的應(yīng)用潛力。對于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車，只能通過添加二次能量存儲設(shè)備實(shí)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(jī)汽車?yán)硐氲亩蝺δ芗夹g(shù)，它能夠?qū)⑵嚋p速時(shí)的動能以機(jī)械能形式存儲及傳輸。
1 國內(nèi)外數(shù)據(jù)庫文獻(xiàn)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(xiàn)共2028條，其中期刊文獻(xiàn)1415條。飛輪儲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）、動力工程（174條）、鐵路運(yùn)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，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(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），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-機(jī)械設(shè)備(Mechanical Devices)下檢索出文獻(xiàn)量最多（1785條），即飛輪儲能技術(shù)在電力工業(yè)應(yīng)用得較為廣泛，這與中國知網(wǎng)(CNKI)的統(tǒng)計(jì)趨勢一致。分類號-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。
圖4 發(fā)表文獻(xiàn)分類分布
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(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)于飛輪儲能技術(shù)的文獻(xiàn)發(fā)表量呈線性增加趨勢，且2018年達(dá)到124篇，這與EI數(shù)據(jù)庫的統(tǒng)計(jì)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(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)表明汽車用飛輪儲能技術(shù)方向的文獻(xiàn)發(fā)表量同中國知網(wǎng)(CNKI)及EI數(shù)據(jù)庫的文獻(xiàn)發(fā)表數(shù)量基本一致，即國內(nèi)外發(fā)展趨勢一致。
圖6 發(fā)表文獻(xiàn)分類分布
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(shí)驗(yàn)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(jī)械式飛輪混合動力系統(tǒng)，如圖7所示。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(jì)，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(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，具體技術(shù)特性見表1。
圖7 飛輪混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
(a) 電驅(qū)動式 (b) 機(jī)械式
表1 飛輪混合動力系統(tǒng)的技術(shù)特性對比
2.2 電驅(qū)動式飛輪混合動力系統(tǒng)
電驅(qū)動式飛輪混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與飛輪電池類似，都是通過電動機(jī)/發(fā)電機(jī)和電力電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。車輛再生制動能量的回收及飛輪能量的釋放均需通過動能與電能的轉(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系統(tǒng)的容量。該結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)的一種電驅(qū)動式飛輪混合動力系統(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)動式飛輪混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
飛輪混合動力系統(tǒng)與飛輪電池的關(guān)鍵不同在于：飛輪電池側(cè)重高能量儲備、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，可在制動工況下回收動能，避免了飛輪電池對轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子質(zhì)量和低能量耗散的要求。
2.3 機(jī)械式飛輪混合動力系統(tǒng)
機(jī)械式飛輪混合動力系統(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)簡單、緊湊及質(zhì)量輕的特點(diǎn)。汽車減速時(shí)，車輛傳動系統(tǒng)具有的動能直接以機(jī)械能的形式儲存于飛輪中；加速或爬坡狀態(tài)下，旋轉(zhuǎn)的飛輪作為輔助動力源經(jīng)離合器（或CVT）與傳動系統(tǒng)動力耦合，為發(fā)動機(jī)提供瞬時(shí)大功率補(bǔ)償。由于飛輪與傳動系統(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)動式。機(jī)械式飛輪混合動力系統(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)動機(jī)與飛輪通過離合器與動力耦合器耦合或解耦，低負(fù)荷時(shí)發(fā)動機(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)，且動力耦合輸出時(shí)控制策略相對復(fù)雜。并聯(lián)式Ⅱ中發(fā)動機(jī)功率點(diǎn)可通過CVT調(diào)節(jié)，發(fā)動機(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)有的傳動系統(tǒng)集成及實(shí)現(xiàn)制動能量回收，但發(fā)動機(jī)功率點(diǎn)不易調(diào)節(jié)。
3 車用飛輪儲能系統(tǒng)研究進(jìn)展
3.1 初期探索階段
20世紀(jì)60年代以來，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(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力汽車概念，開發(fā)了飛輪并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)，如圖10所示。該系統(tǒng)中飛輪和發(fā)動機(jī)并聯(lián)連接，離合器結(jié)合時(shí)，飛輪與發(fā)動機(jī)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(shí)，發(fā)動機(jī)動力與飛輪動力實(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)式混合動力系統(tǒng)，如圖11所示。該系統(tǒng)由2.4 L的發(fā)動機(jī)和飛輪組成并聯(lián)系統(tǒng)，離合器1為發(fā)動機(jī)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(shí)離合器1結(jié)合，發(fā)動機(jī)驅(qū)動飛輪旋轉(zhuǎn)，回收部分怠速動能，離合器2結(jié)合時(shí)飛輪動力輸出。
圖11 威斯康星大學(xué)飛輪混合動力系統(tǒng)
1981年，Hagin等基于“Gyrobus”汽車開發(fā)了一套飛輪輔助動力系統(tǒng)，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(jī)并聯(lián)，可實(shí)現(xiàn)靜壓傳動和液力機(jī)械傳動模式。
圖12 Gyrobus飛輪混合動力系統(tǒng)
（1）靜壓傳動模式：離合器1結(jié)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(jī)動力耦合，最后通過齒輪副1、2輸出到驅(qū)動橋。
（2）液力機(jī)械傳動模式：離合器1、2、3結(jié)合，飛輪與發(fā)動機(jī)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(qū)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。柴油發(fā)動機(jī)的功率流僅可單向流向傳動系統(tǒng)，經(jīng)CVT驅(qū)動車輪；組合離合器使飛輪能量與傳動系統(tǒng)實(shí)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(shí)現(xiàn)能量回收。
圖13 Greenwood飛輪混合動力系統(tǒng)
3.2 研發(fā)階段
21世紀(jì)初，國內(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(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。此外，系統(tǒng)中飛輪的機(jī)械功率可直接耦合到傳統(tǒng)傳動系統(tǒng)，大大提高了車輛的再生制動的效率及加速性能。
2001年，荷蘭的埃因霍溫理工大學(xué)開發(fā)了一種零慣性動力系統(tǒng)，如圖14所示，CVT將發(fā)動機(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，而零慣性動力系統(tǒng)可以有效避免車輛加速時(shí)由發(fā)動機(jī)慣性導(dǎo)致的加速阻力。
圖14 零慣性動力系統(tǒng)
加速時(shí)發(fā)動機(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)的動力系統(tǒng)外增加了飛輪和行星齒輪排，發(fā)動機(jī)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(shí)，旋轉(zhuǎn)的飛輪帶動行星架轉(zhuǎn)動，經(jīng)齒輪副2、主減速器、差速器、半軸驅(qū)動車輪，提供額外動力。
3.3 驗(yàn)證階段
2008年，英國Flybrid Systems公司開發(fā)了一種并聯(lián)機(jī)械式飛輪動力系統(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。
圖15 Flybrid Systems公司飛輪混合動力系統(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，成為首臺在該項(xiàng)賽事上跑完全程的混合動力賽車。當(dāng)賽車彎道制動時(shí)，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(zhuǎn)蓄能。當(dāng)賽車出彎道加速時(shí)，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(jī)動力耦合驅(qū)動車輪。
2010年，基于英國飛輪混合動力系統(tǒng)高級汽車應(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。沃爾沃公司對其用于汽車的飛輪動能回收系統(tǒng)進(jìn)行測試，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的飛輪混合動力系統(tǒng)，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(shí)現(xiàn)制動能量回收和發(fā)動機(jī)負(fù)載點(diǎn)切換。
圖17 搭載ATM的飛輪混合動力系統(tǒng)
2014年，國內(nèi)的?？菩履茉垂咀灾鏖_發(fā)了如圖18所示的飛輪混合動力系統(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通過行星齒輪機(jī)構(gòu)以機(jī)械耦合的方式直接進(jìn)行動能傳輸，制動動能利用效率較高；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)動行星齒輪機(jī)構(gòu)取代機(jī)械式系統(tǒng)中的CVT，通過電機(jī)按需實(shí)時(shí)補(bǔ)充飛輪能量；④通過飛輪控制電機(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輪混合動力系統(tǒng)
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(jī)汽車?yán)硐氲亩蝺δ芗夹g(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(shí)，飛輪混合動力系統(tǒng)可以為主動力源提供輔助動力，進(jìn)行瞬時(shí)大功率補(bǔ)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(jī)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(yuǎn)高于電池，在車輛下坡和制動時(shí)，飛輪混合動力系統(tǒng)能夠以機(jī)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(hù)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(jià)格等因素限制，仍需要對以下兩個(gè)方面作進(jìn)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(xiǎn)增大。對于高速飛輪的車載應(yīng)用來說，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。飛輪混合動力系統(tǒng)作為輔助動力源，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,儲江偉,孫術(shù)發(fā)等.車用飛輪混合動力系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)展[J].儲能科學(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：[email protected]；通信作者：儲江偉，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：[email protected]。
