本文摘要：摘 要：《节能与新能源汽车技术路线(2.0 版)》的发布对汽车节能技术提出了新要求，对于传统内燃机汽车， 只能通过添加二次能量存储装置实现部分制动能量回收。在几种典型的储能方式中，拉贡特性图表明飞轮储能 具有高瞬时功率、高效率、快速响应、环境友好及
摘 要：《节能与新能源汽车技术路线(2.0 版)》的发布对汽车节能技术提出了新要求，对于传统内燃机汽车， 只能通过添加二次能量存储装置实现部分制动能量回收。在几种典型的储能方式中，拉贡特性图表明飞轮储能 具有高瞬时功率、高效率、快速响应、环境友好及循环寿命长等优点，从而成为传统内燃机汽车理想的二次储 能技术。尽管飞轮储能技术的应用研究已经取得了一些进展，但目前国内外尚未有详细的研究来总结其在汽车 工业领域上的应用。
文中基于 CNKI 数据库、Engineering Village 数据库及 Web of Science 数据库以―飞轮储能‖ 为主题进行了数据检索，重点分析了―飞轮储能‖技术在汽车工业方面的研究进展，且检索数据表明，近 20 年来 车用飞轮储能技术虽为小众研究方向，但一直都在探索中。针对电驱动式和机械式两种典型的飞轮混合动力系 统，重点关注了机械式飞轮混合动力系统在汽车领域内的探索、研究及验证历程，并详细阐述了该系统的结构 特点、研究现状及未来研究趋势。综合分析表明，机械式系统通过飞轮与车辆传动系统间的纯机械连接，不仅 解决了电驱动式中因电驱动系统功率限制而造成的动力与节能效果不足问题，还提高了车用飞轮混合动力系统 能量转化效率。
关键词：混合动力;飞轮储能;数据检索;结构特性
2019 年国内原油净进口量已达到 5 亿吨，据预测，2030 年中国的石油进口将达 8 亿吨，占总消耗 量的 80%[1-3]。事实上，车用燃油的增加已经成为石油需求量不断增大的主导因素，因此，提高车辆能源 利用率成为我国降低石油消耗对外依存度、解决能源危机的重中之重。2020 年 10 月发布的《节能与新 能源汽车技术路线(2.0 版)》指出，到 2035 年，传统能源乘用车的平均油耗需达到 4 L/100 km，载货 商用车油耗较 2010 年降低 15%~20%[4]，这对传统内燃机汽车的节能技术提出了新的要求。
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混合动力汽车技术是提高汽车运行效率和运行品质的有效方法[5-6]，包括主流的电动混合动力技术和 机械混合动力技术[7-10]。机械混合动力系统由一个大功率储能装置和一个无级变速器(CVT)或一个齿轮 副耦合到传统动力系统中，为主动力系统提供额外的功率需求。典型的储能技术主要有物理储能(如抽 水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能)、化学储能(如蓄电池、燃料电池、液流电池、超级电容)和电磁 储能(如超导电磁储能)等[11-13]。而车用储能装置则由其储能特性决定，即储能容量、输出功率、放电 速率、自放电率、能量效率、寿命、尺寸及成本[14]。
拉贡特性图可以对储能装置比功率和比能量进行初始评估，并依照比能量与比功率的比值定义放电 时间[15-17]，每条虚对角线上的充放电持续时间是相等的，通过充放电持续时 间的识别确定所选择的储能装置是否能够以最小质量满足能量或功率需求。此外，能量效率和预期循环 次数也可以评估储能装置的储能特性，放电深度为 80%时，超级电容和飞轮的能量效 率可达到 95%，循环次数超过 10000 次，电池的能量效率约为 60%~90%，循环次数为 1000~4000 次， 燃料电池能量效率低，但循环次数相对较长[18-19]。
目前，动力电池和超级电容作为汽车用的主流储能装 置，可满足车辆不同工况下的能量需求，但无法同时兼顾比功率和比能量要求;而飞轮能够以相对较高 的比能量和比功率满足上述需求，且循环寿命和能量效率较高。 2009 年 10 月，国际汽车联合会(Federation Internationale de l'Automobile,FIA)指出了飞轮混合 动力系统车用化的重要性。
英国的―技术战略委员会‖同时赞助了三个关于飞轮混合动力系统的研究项目， 且掌握了大量车用飞轮混合动力先进技术。2011 年 12 月美国能源部委托橡树岭国家实验室对飞轮混合 动力系统进行了评估，并指出这种高比功率、高能量储存特性的技术在混合动力车辆具有巨大的应用潜 力上[20-22]。对于传统内燃机汽车，只能通过添加二次能量存储设备实现部分制动能量回收，而飞轮储能 系统是传统内燃机汽车理想的二次储能技术，它能够将汽车减速时的动能以机械能形式存储及传输。
1 国内外数据库文献检索
1.1 CNKI 数据库
在中国知网(CNKI)数据库中以―飞轮储能‖为主题搜索到文献共 2028 条，其中期刊文献 1415 条。 飞轮储能研究多集中于电力工业，文献总量有 889 条，其次是机械工业(183 条)、动力工程(174 条)、铁路运输(102 条)、自动化技术(99 条)，而汽车工业关于飞轮储能的研究仅有 97 条。 2000 年以前关于飞轮储能的期刊论文仅 61 条，其中电力工业 13 条，汽车工业 8 条;2001 至 2010 年间共检索到期刊论文 279 条，电力工业 97 条，汽车工业 11 条;2011 至 2020 年间检索到期刊论文 1009 条，电力工业 399 条，汽车工业 32 条。由此可见，近 20 年中飞轮储能技术的发展较快，且在汽车 工业中得到了快速发展，尤其在电力工业方面发展速度倍增。
1.2 Engineering Village 数据库
以―All fields‖中包含―flywheel energy storage‖为检索手段，共检索到 3180 条记录(1970-2021 年)。2000 年之前，关于飞轮储能的文献年发表量低于 50 篇，2000 年以后 发表的文献量快速增加。对上述 3180 条文献分类分析后，列出了部分分类码下的文献收录量，其中分类号-机械设备 (Mechanical Devices)下检索出文献量最多(1785 条)，即飞轮储能技术在电力工业应用的较为广泛， 这与中国知网(CNKI)的统计趋势一致。
分类号-汽车下的文献检索量为 72 条，其中 2001 年至 2020 年 检索文献量为 45 条，具体分布情况为：2008-2009 年(11 条)，2010-2011 年(5 条)，2012-2013 年 (3 条)，2013-2014 年(8 条)，2015-2016 年(5 条)，2017-2018 年(6 条)，2019-2020 年(7 条)。该数据说明近 20 年来汽车用飞轮储能技术虽为小众研究方向，但一直都在探索中。
2 车用飞轮混合动力系统
2.1 飞轮混合动力系统结构
美国橡树岭国家实验室提出了两种典型飞轮混合动力系统结构，即电驱动式及机械式飞轮混合动力 系统。电驱动式飞轮混合动力系统与飞轮电池结构类似，但其飞轮所储存的能量仅为 飞轮电池的几十分之一甚至几百分之一，故陀螺效应可忽略不计，安全性较飞轮电池高。电驱动式系统 中飞轮与车辆驱动系统的能量以机械能-电能-机械能形式转化，而机械式系统中飞轮的机械能通过无级变 速器(Continuously Variable Transmission, CVT)直接驱动车辆，两者的区别在于飞轮能量输入/输出的 方式不同。
3 车用飞轮储能系统研究进展
3.1 初期探索阶段
20 世纪 60 年代来，国外科研人员提出了多种车用飞轮混合动力系统并初步进行了探索。 1971 年，洛克希德导弹及宇航公司提出了飞轮混合动力汽车概念，开发了飞轮并联式混合动力系统 [31]。该系统中飞轮和发动机并联连接，离合器结合时，飞轮与发动机动力耦合后可通过传 动轴传递给后驱动桥。离合器断开时，发动机动力与飞轮动力实现解耦。
4 结 论
从对车用飞轮混合动力系统的研究可以看出,飞轮混合动力系统是传统内燃机汽车理想的二次储能技 术，该系统具有如下优势：
(1)保证主动力源功率稳定输出。车辆处于起步、加速和爬坡工况时，飞轮 混合动力系统可以为主动力源提供辅助动力，进行瞬时大功率补偿，减少主动力源动力输出损耗。即在 保证同等动力性的前提下可以降低发动机排量，无需大后备功率的储备。
(2)提高能量转换效率。由于 飞轮的比功率远高于电池，在车辆下坡和制动时，飞轮混合动力系统能够以机械能的形式快速储能，储 能速度不受电池电极―活性物质‖化学反应速度的影响。
(3)相对于电动混合动力系统，飞轮混合动力系 统使用寿命可以满足车辆全生命周期，且系统维护周期长，环保无污染。 然而，车用飞轮混合动力系统的推广受到技术、价格等因素限制，仍需要对以下两个方面作进一步 研究。
(1)飞轮混合动力系统的安全性。虽然较于飞轮电池，储能飞轮的转速已经大幅度降低，但车用 飞轮的质量受到汽车轻量化及传动系统布置限制，尺寸不易过大;要想飞轮系统储存能量最大化则需提 高飞轮转速，这将导致系统的失效风险增大。对于高速飞轮的车载应用来说，设计一种轻量、低成本的 密封系统以防止高速飞轮的失效风险十分必要。
(2)系统各部件参数间的合理匹配。飞轮混合动力系统 作为辅助动力源，应用于传统内燃机汽车的目标在于保证车辆动力性的前提下尽可能的提高燃油经济性， 而飞轮系统质量的额外增加却与车辆轻量化的目标相冲突，如何合理控制飞轮混合动力系统的质量成本、 效率、功率密度和能量密度，使其在不同使用目标下的性价比达到最优仍需进一步探讨。
参考文献
[1] 中华人民共和国国务院国有资产监督管理委员会[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] 刘振华.经济政策不确定性下国际原油价格冲击对中国股票市场的影响研究[D].徐州:中国矿业大学,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] 曹红.国际原油价格变动对中国股票市场的影响分析[D].成都:西南财经大学, 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：李红，储江伟，孙术发，刘贺
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