引言

現(xiàn)代飛輪混合動力系統(tǒng)（FlywheelHybridPowerSystems穿肄，簡稱“飛輪混動系統(tǒng)”）技術(shù)是近十年在歐洲發(fā)展起來的基于先進變速箱技術(shù)的綠色汽車動力技術(shù)年局，與七八十年代興起的飛輪電池儲能技術(shù)有著本質(zhì)區(qū)別。自2009年后在F1大賽和LeMans耐力賽等汽車技術(shù)最高展臺上嶄露頭角咸产，由于其技術(shù)先進性及性價比優(yōu)勢矢否，此項技術(shù)已被越來越多的業(yè)內(nèi)權(quán)威認定是下一代節(jié)能與新能源汽車動力主流技術(shù)之一，為節(jié)能與新能源汽車的規(guī)模推廣應(yīng)用提供了技術(shù)和經(jīng)濟可行性脑溢，并將從根本上突破日系汽車廠商在混合動力領(lǐng)域的技術(shù)壟斷和領(lǐng)先地位僵朗。歐洲的高端汽車大廠如保時捷、沃爾沃，捷豹等均已迅速跟進投入并聲稱將于2015年推出商業(yè)化的產(chǎn)品验庙，并帶動SKF顶吮，GKN，Ricardo等著名零部件供應(yīng)商和工程公司跟進（參見美國能源部報告）粪薛。

飛輪混動系統(tǒng)結(jié)合先進變速箱控制技術(shù)如CVT悴了，電動無級變速EVT等，充分發(fā)揮飛輪的高功率比特點违寿，不但有效地解決了現(xiàn)有節(jié)能與新能源汽車中普遍存在的因電驅(qū)動系統(tǒng)功率限制而造成的動力與節(jié)能效果不足問題湃交，而且飛輪的機械功率可直接耦合到傳動系，大大提高了再生制動的效率及車輛的加速性能陨界，這是飛輪混動系統(tǒng)具有高性價比的主要原因巡揍。

目前痛阻，飛輪混動系統(tǒng)有三種基本形式：

儲能式：其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與飛輪電池相似菌瘪，只是飛輪所儲能量大大降低，因而其安全性和陀螺效應(yīng)可忽略不計阱当；

機械式：飛輪通過CVT與車軸直接相連俏扩，其功率和能量傳送通過CVT控制實現(xiàn)。此系統(tǒng)除CVT控制外弊添，不需功率電機和動力電池录淡，因而也稱“純機械式”飛輪混動系統(tǒng)；

電動式：飛輪通過行星齒輪和調(diào)速電機等構(gòu)成的電動無級變速系統(tǒng)與車軸直接相連油坝，其功率和能量傳送主要通過機械系統(tǒng)嫉戚，但也可以通過調(diào)速電機來進行功率和能量管理。此系統(tǒng)仍需電機驅(qū)動和動力電池澈圈，但電驅(qū)動系統(tǒng)容量可大幅下降至系統(tǒng)總功率和能量的幾分之一彬檀。國外目前已經(jīng)開發(fā)成功的飛輪混動系統(tǒng)主要有儲能式和機械式兩種。其中英國的威廉姆斯混合動力有限公司主要開發(fā)高端賽車和超跑車用儲能式飛輪混動系統(tǒng)瞬女；另一家英國公司Flybrid則集中在“機械式”飛輪混動系統(tǒng)窍帝。國內(nèi)常州海科新能源技術(shù)有限公司則致力于“電動式”飛輪混動系統(tǒng)的研發(fā)诽偷，將飛輪坤学、控制電機與汽車傳動系統(tǒng)，以創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)通過行星齒輪連接起來报慕，再用創(chuàng)新的控制方法實現(xiàn)了新穎的電混合無極變速深浮。目前這三家專業(yè)公司都在星光照耀與主機廠合作開發(fā)節(jié)能與

新能源汽車乘用車型并計劃于2015年前推出市場。

一眠冈、飛輪電池技術(shù)及飛輪混動系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展歷程

（一）飛輪電池及飛輪混動系統(tǒng)技術(shù)特點

現(xiàn)代飛輪混合動力（FlywheelHybridPower）系統(tǒng)技術(shù)是近十年在歐洲發(fā)展起來的基于先進變速箱技術(shù)的綠色汽車動力技術(shù)飞苇，與七八十年代興起的飛輪電池儲能技術(shù)有著本質(zhì)的區(qū)別。飛輪電池和飛輪混動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)對比如圖：

可見儲能式飛輪混動系統(tǒng)其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與飛輪電池儲能系統(tǒng)相似，但是由于其飛輪所儲能量大大降低（通常是飛輪電池的幾十至百分之一）玄柠，因而其安全性和陀螺效應(yīng)可忽略不計突梦。而其他形式的飛輪的機械功率還可以通過先進變速箱技術(shù)直接耦合到傳動系，譬如使用CVT或電動無級變速箱（EVT）羽利。

飛輪混動系統(tǒng)與飛輪電池的關(guān)鍵不同在于：飛輪電池主要強調(diào)的是高能量儲備宫患、低能量耗散，因此其飛輪重量相對更大这弧，轉(zhuǎn)速更高娃闲，降低能量耗散的手段要更強。在這種限制條件下匾浪，安全性比較難保障皇帮，降低能量消耗的措施（如非接觸式磁軸承）成本也十分高昂，因此不具備在汽車上應(yīng)用的成熟條件蛋辈。

而飛輪混動系統(tǒng)強調(diào)的是功率密度要大属拾，在車輛加速時能夠很好地滿足短時高功率需求，履行其輔助主動力源的職責冷溶，而對飛輪能量的儲備要求夠用就行渐白，因為飛輪系統(tǒng)可以在車輛的頻繁剎車中不斷吸收能量，這樣就避開了飛輪電池對轉(zhuǎn)速逞频、轉(zhuǎn)子質(zhì)量纯衍，和維持能量低耗散的苛刻要求，使得其在安全性和成本上具備了在汽車上應(yīng)用的成熟條件苗胀。

飛輪混動系統(tǒng)的主要技術(shù)特點是：

（1）穩(wěn)定主動力源功率輸出襟诸。在汽車起步、爬坡和加速時基协，飛輪混動系統(tǒng)能夠進行瞬時大功率輸出歌亲，為主動力源提供輔助動力，并減少主動力源的動力輸出損耗堡掏。在保持相同動力性能情況下应结，發(fā)動機可以做得更小，從而油耗和排放也更低泉唁。此外鹅龄，其不受化學電池放電深度限制，飛輪能量可以較徹底地釋放到動力系統(tǒng)中去亭畜。

（2）提高能量回收的效率扮休。機械飛輪的功率密度遠高于相同功率的大功率動力鋰電池，其功率密度可達5000～l0,000W/kg拴鸵，成本也遠低于它玷坠。在汽車下坡蜗搔、滑行和制動時，飛輪混動系統(tǒng)能夠快速八堡、大量地存儲動能樟凄，且能量儲存速度不受“活性物質(zhì)”化學反應(yīng)速度影響，相較深度混合動力系統(tǒng)兄渺，可回收的剎車能量比例也由35%提高到70%缝龄。因此相對于傳統(tǒng)混合動力系統(tǒng)昂貴的電池組和電驅(qū)動單元，飛輪混動系統(tǒng)是低成本和高效的選擇挂谍。

（3）相對于傳統(tǒng)混合動力系統(tǒng)叔壤，其系統(tǒng)使用壽命完全可覆蓋車輛全壽命周期，且系統(tǒng)維護周期長口叙，無任何有毒材料炼绘，對環(huán)境無污染。

（二）飛輪電池及飛輪混動系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展歷程

第一階段（2002~2006）研發(fā)階段

?2002年：荷蘭埃因霍溫大學（TU/e）的科研團隊創(chuàng)立Drive-TrainInnovations公司妄田，開展研究“機

械式”飛輪混動系統(tǒng)的工程應(yīng)用俺亮；

?2003年：英國汽車動力專家ChrisEllis創(chuàng)立EchoTech，與帝國理工的科研團隊進行“電動式”飛輪混動系統(tǒng)的研究及示范形庭；

?2006年：英國汽車工程公司Ricardo與美國飛輪系統(tǒng)公司（AFS）合作開發(fā)基于先進的“儲能式”飛輪混動系統(tǒng)的高效電動汽車铅辞；

?2006年：美國麥格納汽車電子公司的廖越峰等對ChrisEllis的“電動式”飛輪系統(tǒng)的進行系統(tǒng)的分析和改進厌漂，完整地提出“電動式”飛輪系統(tǒng)的控制原理及產(chǎn)品概念萨醒，并申請多項美國專利。

第二階段（2007~2009）驗證階段

?英國的威廉姆斯混合動力有限公司為F12009賽季研發(fā)了使用飛輪的動能回收系統(tǒng)-儲能式飛輪混動系統(tǒng)苇倡；

?另一家英國公司Flybrid為捷豹公司開發(fā)的“機械式”飛輪混動系統(tǒng)在其JaguarXF原型車上進行了路試富纸。

第三階段（2010至今）產(chǎn)業(yè)化階段

?2010年：VOLVO獲600萬瑞典克郎的政府支持，擬于2015年前實現(xiàn)“機械式”飛輪混動系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化1旨椒。

?2010年晓褪，保時捷公司宣布，將在2012年推出量產(chǎn)型Porsche918SpyderHybrid综慎，該車型使用了威廉姆斯混合動力有限公司提供的“儲能式”飛輪混動系統(tǒng)涣仿。

?2012年，由威廉姆斯混合動力有限公司提供飛輪混動系統(tǒng)的AUDIR18E-TronQuattro歷史性地囊括了勒芒24小時耐力賽冠亞軍3示惊。

二好港、國內(nèi)外主要國家的飛輪混動系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)情況

目前，國際上對飛輪混動技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用主要集中在歐洲米罚，而英國又走在了歐洲的前列钧汹。英國政府的“技術(shù)戰(zhàn)略委員會”近年來同時贊助了三個有關(guān)飛輪混動系統(tǒng)的研究項目（KinerStor，F(xiàn)HSPV和Flybus）录择，分別由Ricardo拔莱、Flybrid和Torotrak主導碗降，對飛輪混動系統(tǒng)在經(jīng)濟型車、高端車和重型商用車領(lǐng)域的應(yīng)用進行驗證塘秦，并以此積累關(guān)鍵技術(shù)讼渊。

美國和日本鑒于七、八十年代車載飛輪電池研發(fā)中出現(xiàn)的一些安全隱患對飛輪混動系統(tǒng)心存疑慮尊剔。但2011年12月美國橡樹嶺國家實驗室受其能源部委派所做的飛輪系統(tǒng)評估報告則充分認識到飛輪系統(tǒng)的巨大潛力和產(chǎn)業(yè)成熟性精偿，并坦承歐洲正領(lǐng)導著飛輪技術(shù)在輕型和重型混合動力車輛上的

應(yīng)用。鑒于FIA于2009年10月對飛輪系統(tǒng)的強力支持赋兵，報告建議美國能源部對飛輪笔咽，這種高功率、高能量存儲特性的技術(shù)在混合動力車輛上的應(yīng)用在其計劃上給予重新考慮霹期。報告還建議美國政府將其用于空間技術(shù)上的飛輪標準認證程序應(yīng)用到車用飛輪混動系統(tǒng)領(lǐng)域叶组，試圖通過標準制訂權(quán)的掌控來改變自己的相對落后地位（參見美國能源部報告）。

（一）國外主要國家的飛輪混動系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)現(xiàn)狀

國外目前已經(jīng)開發(fā)成功的飛輪混動系統(tǒng)主要有兩種：

1.儲能式

其結(jié)構(gòu)與飛輪電池類似历造，都是通過電動機/發(fā)電機甩十，和動力電子轉(zhuǎn)換裝臵來實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換和傳輸。其再生制動能量的吸收和飛輪能量的釋放完全都要通過動能與電能的相互轉(zhuǎn)化才能實現(xiàn)吭产，其功率的大小完全取決于電力傳動系統(tǒng)的容量侣监。所以，其能量的雙重轉(zhuǎn)換增加了能耗，而要滿足高功率所要配臵的大容量電力傳動系統(tǒng)（雙電機及控制器等）價格不菲沉御。但其優(yōu)點是對系統(tǒng)集成度要求不高沧奴，應(yīng)用在像F1賽車這樣對車輛的配重十分敏感的領(lǐng)域就十分適合，其另外一個優(yōu)勢是能量釋放值相對更大姓蜂。這項技術(shù)以英國的威廉姆斯混合動力有限公司為代表5，該系統(tǒng)使用了獨特的飛輪結(jié)構(gòu)医吊，將調(diào)速電機內(nèi)臵于飛輪內(nèi)部钱慢，電機的轉(zhuǎn)子與飛輪轉(zhuǎn)子做成一個整體。

2.機械式

飛輪與汽車傳動結(jié)構(gòu)間通過機械無極變速器（CVT）和減速行星齒輪相連接卿堂，實現(xiàn)不同速度間的耦合與可調(diào)節(jié)的飛輪功率輸入輸出束莫。由于飛輪混動系統(tǒng)的功率（或可認為是其能量的吸收和投送能力）主要取決于其系統(tǒng)中傳動系統(tǒng)的功率負荷能力，而“機械式”由于采用了高效且緊湊的CVT作為傳動裝臵草描，所以其功率密度是現(xiàn)有系統(tǒng)中最高的览绿，但其局限在于昂貴且復雜的CVT系統(tǒng)。這項技術(shù)以英國的Flybrid公司產(chǎn)品為代表4陶珠。

（二）國內(nèi)飛輪混動系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)現(xiàn)狀

國內(nèi)目前在飛輪混動系統(tǒng)方面主要是跟蹤研究挟裂，唯一的是例外是2012年初成立的常州海科新能源技術(shù)有限公司揍诽。該公司致力于“電動式”飛輪混動系統(tǒng)的研發(fā)诀蓉，將飛輪栗竖、控制電機與汽車傳動系統(tǒng)，以創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)通過行星齒輪連接起來渠啤，再用創(chuàng)新的控制方法實現(xiàn)了新穎的電混合無極變速狐肢。

比較圖3和圖4“電動式”和“機械式”兩種飛輪混動系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)圖，可以清楚看到沥曹，

“電動式”主要是以電機通過行星齒輪調(diào)速機構(gòu)取代了“機械式”的CVT調(diào)速機構(gòu)份名，從而實現(xiàn)高

性能，高可靠性的扭矩和速度控制妓美。

（三）國內(nèi)外飛輪混動系統(tǒng)技術(shù)路線對比分析

當前世界主要的飛輪混動系統(tǒng)研發(fā)公司所采取的三條技術(shù)路線已經(jīng)在上節(jié)說明了僵腺。下表

是三種飛輪混動系統(tǒng)技術(shù)路線簡要對比。

與威廉姆斯為代表的“儲能式”飛輪混動系統(tǒng)相比壶栋，常州撼饺纾科的“電動式”飛輪混動系統(tǒng)由于其大部分能量是通過機械耦合的方式直接傳遞，只有一小部分能量通過電力傳動系統(tǒng)（飛輪控制電機贵试、驅(qū)動電機及控制器等）琉兜，這樣就將電力傳動系統(tǒng)的容量要求大大降低，而其動力性能和能量轉(zhuǎn)化效率卻基本保持了“機械式”飛輪的優(yōu)點毙玻。與Flybrid的“機械式”飛輪混動系統(tǒng)相比豌蟋，由于海科的“電動式”飛輪混動系統(tǒng)使用的是機電一體化的控制系統(tǒng)桑滩，其小功率的調(diào)速電機可以實現(xiàn)“機械式”所不具備的更加靈活的飛輪加梧疲、減速調(diào)節(jié)；而其獨立于機械傳動之外的另一條雙電機（低成本的）驅(qū)動功率流可以使整個系統(tǒng)對能量和功率的管理更有效施符、更有靈活性往声；相較于復雜且昂貴的CVT系統(tǒng)，不但結(jié)構(gòu)簡單戳吝、成本低，而且更符合我國當前的產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀贯涎。

現(xiàn)代主流節(jié)能和新能源汽車動力技術(shù)的實質(zhì)听哭，就是將電驅(qū)動系統(tǒng)（電機，電機功率控制器塘雳，與電池）作為發(fā)動機的輔助動力結(jié)合到汽車動力結(jié)構(gòu)中陆盘，實現(xiàn)下列三大節(jié)能效果：

?發(fā)動機最優(yōu)效率點運行，及其功率和尺寸的縮減败明；

?低速隘马、怠速時發(fā)動機停機，全電動模式妻顶；

?動能的剎車回收儲存酸员，及加速時釋放蜒车。

而飛輪混動系統(tǒng)作為電驅(qū)系統(tǒng)的替代角色，在向主動力源（發(fā)動機）提供輔助動力時幔嗦，在實現(xiàn)節(jié)能效果上酿愧，具有效率更高、成本更低邀泉、性能更佳等優(yōu)點嬉挡，其具體表現(xiàn)為：由于飛輪混動系統(tǒng)的功率密度高，再生制動的能量在回收和釋放時汇恤，不論是相對低成本的鎳氫電池或大功率但昂貴的鋰電池庞钢，其能量利用效率都更高、輸出功率更強因谎，能耗節(jié)省更顯著焊夸，加速性提升也更明顯。由于沒有了對大容量動力電池的需求蓝角，因此其重量更輕阱穗，成本也最低。同時使鹅，由于其功率密度高揪阶，對主發(fā)動機的動力輔助效果更好，可以滿足更大范圍的由于輸出功率需求波動對輔助動力的需求患朱，所以在滿足相同動力性能的情況下鲁僚，可以更大程度地降低對發(fā)動機的排量要求，從而達到節(jié)能減排的目的裁厅。

在飛輪混動系統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)時冰沙，人們都會碰到以下共同問題和挑戰(zhàn)：

?如何保證飛輪系統(tǒng)的安全，雖然相較飛輪電池执虹，其要求已有所降低拓挥；

?如何在成本、效率袋励、功率密度和能量密度等要素上進行權(quán)衡侥啤，在滿足各自不同用途時達到最優(yōu)性價比。

不同的飛輪混動系統(tǒng)開發(fā)商茬故，其安全問題的解決手段不同盖灸，譬如威廉姆斯在其飛輪轉(zhuǎn)子中應(yīng)用了磁復合（MLC）技術(shù)，對飛輪轉(zhuǎn)子防護材料和防護設(shè)計的要求大大降低磺芭。而要使高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子在運行中減少能耗赁炎，有些飛輪混動系統(tǒng)將飛輪放臵在真空環(huán)境中運行。而要保持真空環(huán)境钾腺，F(xiàn)lybrid公司選擇了其專利技術(shù)的密封裝臵徙垫，而Ricardo（研發(fā)中）則選擇使用其專利技術(shù)的磁耦合裝臵讥裤，避免機械傳動部件從真空室穿出。在功率密度和能量密度的權(quán)衡上松邪，F(xiàn)lybrid選擇了結(jié)構(gòu)緊湊坞琴、飛輪設(shè)計質(zhì)量較小的“機械式”飛輪系統(tǒng)，主要是要突出其高功率密度的特性逗抑，對能量的輸出值有所犧牲剧辐。而常州海科的“電動式”飛輪混動系統(tǒng)在保留了“機械式”大功率邮府、高效率的特性同時荧关，其獨特的結(jié)構(gòu)對飛輪材料、飛輪轉(zhuǎn)速褂傀、飛輪的使用條件忍啤、軸承、飛輪控制電機和控制器等的要求有所降低仙辟，也不需要CVT同波，所以其性價比較高，而且其靈活多模式的動力控制叠国，適應(yīng)性更強未檩。

三、發(fā)展飛輪混動系統(tǒng)技術(shù)的科技建議

2009年10月國際汽聯(lián)（FIA）竭力支持在混合動力賽車上使用飛輪系統(tǒng)粟焊，并聲明“對于像飛輪這樣能夠減少對電瓶的依賴冤狡，并可應(yīng)對內(nèi)燃機的負荷變化的技術(shù)，證明是未來最有前途的方式项棠”ǎ”這也與其希望提升汽車效率有關(guān)。現(xiàn)在是對飛輪香追，這個高功率合瓢、高能量存儲系統(tǒng)在輕型和重型車輛領(lǐng)域的應(yīng)用進行密切追蹤和政策支持的合適時機。正如2011年12月美國橡樹嶺國家實驗室受其能源部委派所做的飛輪系統(tǒng)評估報告所指出：飛輪技術(shù)特別適合于混合動力總成系統(tǒng)翅阵。飛輪可以有效地輔助混合動力傳動系統(tǒng)歪玲，以滿足混合動力汽車在加速時的高功率需求。在能量再生型制動過程中掷匠，飛輪通過能量吸收所能達到的功率和吸收效率都遠遠高于電池所能達到的水平。

在從飛輪和電池的性能比較中得出的一個推論是岖圈，飛輪系統(tǒng)的最有效利用是：在提供高功率的同時提供剛好夠用的能量儲備讹语，從而有效完成其擔當輔助動力的任務(wù)。飛輪系統(tǒng)相對混合動力電動汽車和純電動汽車的電池和超級電容而言蜂科，可以滿足或超越與動力相關(guān)的性能指標（放電功率顽决，再生功率短条，比功率，功率密度才菠，重量和體積）茸时。飛輪可以提供高功率和能量存儲，尤其是高功率赋访。開展深度/插電式混合動力系統(tǒng)裝臵原始創(chuàng)新可都，打破深度/插電式混合動力系統(tǒng)專利壁壘，研制深度/插電式混合動力轎車蚓耽，是我國節(jié)能與新能源汽車發(fā)展重要任務(wù)之一渠牲，是以純電驅(qū)動為新能源汽車發(fā)展和汽車工業(yè)轉(zhuǎn)型的主要戰(zhàn)略取向，重點推進純電動汽車和插電式混合動力汽車產(chǎn)業(yè)化步悠，推廣普及非插電式混合動力汽車签杈、節(jié)能內(nèi)燃機汽車，提升我國汽車產(chǎn)業(yè)整體技術(shù)水平的重要實踐鼎兽，是堅持節(jié)能與新能源汽車“過渡與轉(zhuǎn)型”并行互動答姥、共同發(fā)展的總體原則指導的重要實踐。建議國際投入引導性資金谚咬，聚集國內(nèi)外優(yōu)勢力量開展研發(fā)鹦付。在合適時機，應(yīng)投入引導性資金序宦，支持飛輪混動系統(tǒng)原始技術(shù)創(chuàng)新和突破睁壁。

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