引言
现代飞轮混合动力系统（FlywheelHybridPowerSystems，简称“飞轮混动系统”）技术是近十年在欧洲发展起来的基于先进变速箱技术的绿色汽车动力技术，与七八十年代兴起的飞轮电池储能技术有着本质区别。自2009年后在F1大赛和LeMans耐力赛等汽车技术最高展台上崭露头角，由于其技术先进性及性价比优势，此项技术已被越来越多的业内权威认定是下一代节能与新能源汽车动力主流技术之一，为节能与新能源汽车的规模推广应用提供了技术和经济可行性，并将从根本上突破日系汽车厂商在混合动力领域的技术垄断和领先地位。欧洲的高端汽车大厂如保时捷、沃尔沃，捷豹等均已迅速跟进投入并声称将于2015年推出商业化的产品，并带动SKF，GKN，Ricardo等著名零部件供应商和工程公司跟进（参见美国能源部报告）。
飞轮混动系统结合先进变速箱控制技术如CVT，电动无级变速EVT等，充分发挥飞轮的高功率比特点，不但有效地解决了现有节能与新能源汽车中普遍存在的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，而且飞轮的机械功率可直接耦合到传动系，大大提高了再生制动的效率及车辆的加速性能，这是飞轮混动系统具有高性价比的主要原因。
目前，飞轮混动系统有三种基本形式：
储能式：其系统结构与飞轮电池相似，只是飞轮所储能量大大降低，因而其安全性和陀螺效应可忽略不计；
机械式：飞轮通过CVT与车轴直接相连，其功率和能量传送通过CVT控制实现。此系统除CVT控制外，不需功率电机和动力电池，因而也称“纯机械式”飞轮混动系统；
电动式：飞轮通过行星齿轮和调速电机等构成的电动无级变速系统与车轴直接相连，其功率和能量传送主要通过机械系统，但也可以通过调速电机来进行功率和能量管理。此系统仍需电机驱动和动力电池，但电驱动系统容量可大幅下降至系统总功率和能量的几分之一。国外目前已经开发成功的飞轮混动系统主要有储能式和机械式两种。其中英国的威廉姆斯混合动力有限公司主要开发高端赛车和超跑车用储能式飞轮混动系统；另一家英国公司Flybrid则集中在“机械式”飞轮混动系统。国内常州海科新能源技术有限公司则致力于“电动式”飞轮混动系统的研发，将飞轮、控制电机与汽车传动系统，以创新的结构通过行星齿轮连接起来，再用创新的控制方法实现了新颖的电混合无极变速。目前这三家专业公司都在星光照耀与主机厂合作开发节能与
新能源汽车乘用车型并计划于2015年前推出市场。
一、飞轮电池技术及飞轮混动系统技术发展历程
（一）飞轮电池及飞轮混动系统技术特点
现代飞轮混合动力（FlywheelHybridPower）系统技术是近十年在欧洲发展起来的基于先进变速箱技术的绿色汽车动力技术，与七八十年代兴起的飞轮电池储能技术有着本质的区别。飞轮电池和飞轮混动系统的结构对比如图：
可见储能式飞轮混动系统其系统结构与飞轮电池储能系统相似，但是由于其飞轮所储能量大大降低（通常是飞轮电池的几十至百分之一），因而其安全性和陀螺效应可忽略不计。而其他形式的飞轮的机械功率还可以通过先进变速箱技术直接耦合到传动系，譬如使用CVT或电动无级变速箱（EVT）。
飞轮混动系统与飞轮电池的关键不同在于：飞轮电池主要强调的是高能量储备、低能量耗散，因此其飞轮重量相对更大，转速更高，降低能量耗散的手段要更强。在这种限制条件下，安全性比较难保障，降低能量消耗的措施（如非接触式磁轴承）成本也十分高昂，因此不具备在汽车上应用的成熟条件。
而飞轮混动系统强调的是功率密度要大，在车辆加速时能够很好地满足短时高功率需求，履行其辅助主动力源的职责，而对飞轮能量的储备要求够用就行，因为飞轮系统可以在车辆的频繁刹车中不断吸收能量，这样就避开了飞轮电池对转速、转子质量，和维持能量低耗散的苛刻要求，使得其在安全性和成本上具备了在汽车上应用的成熟条件。
飞轮混动系统的主要技术特点是：
（1）稳定主动力源功率输出。在汽车起步、爬坡和加速时，飞轮混动系统能够进行瞬时大功率输出，为主动力源提供辅助动力，并减少主动力源的动力输出损耗。在保持相同动力性能情况下，发动机可以做得更小，从而油耗和排放也更低。此外，其不受化学电池放电深度限制，飞轮能量可以较彻底地释放到动力系统中去。
（2）提高能量回收的效率。机械飞轮的功率密度远高于相同功率的大功率动力锂电池，其功率密度可达5000～l0,000W/kg，成本也远低于它。在汽车下坡、滑行和制动时，飞轮混动系统能够快速、大量地存储动能，且能量储存速度不受“活性物质”化学反应速度影响，相较深度混合动力系统，可回收的刹车能量比例也由35%提高到70%。因此相对于传统混合动力系统昂贵的电池组和电驱动单元，飞轮混动系统是低成本和高效的选择。
（3）相对于传统混合动力系统，其系统使用寿命完全可覆盖车辆全寿命周期，且系统维护周期长，无任何有毒材料，对环境无污染。
（二）飞轮电池及飞轮混动系统技术发展历程
第一阶段（2002~2006）研发阶段
�2002年：荷兰埃因霍温大学（TU/e）的科研团队创立Drive-TrainInnovations公司，开展研究“机
械式”飞轮混动系统的工程应用；
�2003年：英国汽车动力专家ChrisEllis创立EchoTech，与帝国理工的科研团队进行“电动式”飞轮混动系统的研究及示范；
�2006年：英国汽车工程公司Ricardo与美国飞轮系统公司（AFS）合作开发基于先进的“储能式”飞轮混动系统的高效电动汽车；
�2006年：美国麦格纳汽车电子公司的廖越峰等对ChrisEllis的“电动式”飞轮系统的进行系统的分析和改进，完整地提出“电动式”飞轮系统的控制原理及产品概念，并申请多项美国专利。
第二阶段（2007~2009）验证阶段
�英国的威廉姆斯混合动力有限公司为F12009赛季研发了使用飞轮的动能回收系统-储能式飞轮混动系统；
�另一家英国公司Flybrid为捷豹公司开发的“机械式”飞轮混动系统在其JaguarXF原型车上进行了路试。
第三阶段（2010至今）产业化阶段
�2010年：VOLVO获600万瑞典克郎的政府支持，拟于2015年前实现“机械式”飞轮混动系统产业化1。
�2010年，保时捷公司宣布，将在2012年推出量产型Porsche918SpyderHybrid，该车型使用了威廉姆斯混合动力有限公司提供的“储能式”飞轮混动系统。
�2012年，由威廉姆斯混合动力有限公司提供飞轮混动系统的AUDIR18E-TronQuattro历史性地囊括了勒芒24小时耐力赛冠亚军3。
二、国内外主要国家的飞轮混动系统技术研发情况
目前，国际上对飞轮混动技术的开发和应用主要集中在欧洲，而英国又走在了欧洲的前列。英国政府的“技术战略委员会”近年来同时赞助了三个有关飞轮混动系统的研究项目（KinerStor，FHSPV和Flybus），分别由Ricardo、Flybrid和Torotrak主导，对飞轮混动系统在经济型车、高端车和重型商用车领域的应用进行验证，并以此积累关键技术。
美国和日本鉴于七、八十年代车载飞轮电池研发中出现的一些安全隐患对飞轮混动系统心存疑虑。但2011年12月美国橡树岭国家实验室受其能源部委派所做的飞轮系统评估报告则充分认识到飞轮系统的巨大潜力和产业成熟性，并坦承欧洲正领导着飞轮技术在轻型和重型混合动力车辆上的
应用。鉴于FIA于2009年10月对飞轮系统的强力支持，报告建议美国能源部对飞轮，这种高功率、高能量存储特性的技术在混合动力车辆上的应用在其计划上给予重新考虑。报告还建议美国政府将其用于空间技术上的飞轮标准认证程序应用到车用飞轮混动系统领域，试图通过标准制订权的掌控来改变自己的相对落后地位（参见美国能源部报告）。
（一）国外主要国家的飞轮混动系统技术研发现状
国外目前已经开发成功的飞轮混动系统主要有两种：
1.储能式
其结构与飞轮电池类似，都是通过电动机/发电机，和动力电子转换装臵来实现能量的转换和传输。其再生制动能量的吸收和飞轮能量的释放完全都要通过动能与电能的相互转化才能实现，其功率的大小完全取决于电力传动系统的容量。所以，其能量的双重转换增加了能耗，而要满足高功率所要配臵的大容量电力传动系统（双电机及控制器等）价格不菲。但其优点是对系统集成度要求不高，应用在像F1赛车这样对车辆的配重十分敏感的领域就十分适合，其另外一个优势是能量释放值相对更大。这项技术以英国的威廉姆斯混合动力有限公司为代表5，该系统使用了独特的飞轮结构，将调速电机内臵于飞轮内部，电机的转子与飞轮转子做成一个整体。
2.机械式
飞轮与汽车传动结构间通过机械无极变速器（CVT）和减速行星齿轮相连接，实现不同速度间的耦合与可调节的飞轮功率输入输出。由于飞轮混动系统的功率（或可认为是其能量的吸收和投送能力）主要取决于其系统中传动系统的功率负荷能力，而“机械式”由于采用了高效且紧凑的CVT作为传动装臵，所以其功率密度是现有系统中最高的，但其局限在于昂贵且复杂的CVT系统。这项技术以英国的Flybrid公司产品为代表4。
（二）国内飞轮混动系统技术研发现状
国内目前在飞轮混动系统方面主要是跟踪研究，唯一的是例外是2012年初成立的常州海科新能源技术有限公司。该公司致力于“电动式”飞轮混动系统的研发，将飞轮、控制电机与汽车传动系统，以创新的结构通过行星齿轮连接起来，再用创新的控制方法实现了新颖的电混合无极变速。
比较图3和图4“电动式”和“机械式”两种飞轮混动系统的拓扑结构图，可以清楚看到，
“电动式”主要是以电机通过行星齿轮调速机构取代了“机械式”的CVT调速机构，从而实现高
性能，高可靠性的扭矩和速度控制。
（三）国内外飞轮混动系统技术路线对比分析
当前世界主要的飞轮混动系统研发公司所采取的三条技术路线已经在上节说明了。下表
是三种飞轮混动系统技术路线简要对比。
与威廉姆斯为代表的“储能式”飞轮混动系统相比，常州海科的“电动式”飞轮混动系统由于其大部分能量是通过机械耦合的方式直接传递，只有一小部分能量通过电力传动系统（飞轮控制电机、驱动电机及控制器等），这样就将电力传动系统的容量要求大大降低，而其动力性能和能量转化效率却基本保持了“机械式”飞轮的优点。与Flybrid的“机械式”飞轮混动系统相比，由于海科的“电动式”飞轮混动系统使用的是机电一体化的控制系统，其小功率的调速电机可以实现“机械式”所不具备的更加灵活的飞轮加、减速调节；而其独立于机械传动之外的另一条双电机（低成本的）驱动功率流可以使整个系统对能量和功率的管理更有效、更有灵活性；相较于复杂且昂贵的CVT系统，不但结构简单、成本低，而且更符合我国当前的产业发展现状。
现代主流节能和新能源汽车动力技术的实质，就是将电驱动系统（电机，电机功率控制器，与电池）作为发动机的辅助动力结合到汽车动力结构中，实现下列三大节能效果：
�发动机最优效率点运行，及其功率和尺寸的缩减；
�低速、怠速时发动机停机，全电动模式；
�动能的刹车回收储存，及加速时释放。
而飞轮混动系统作为电驱系统的替代角色，在向主动力源（发动机）提供辅助动力时，在实现节能效果上，具有效率更高、成本更低、性能更佳等优点，其具体表现为：由于飞轮混动系统的功率密度高，再生制动的能量在回收和释放时，不论是相对低成本的镍氢电池或大功率但昂贵的锂电池，其能量利用效率都更高、输出功率更强，能耗节省更显著，加速性提升也更明显。由于没有了对大容量动力电池的需求，因此其重量更轻，成本也最低。同时，由于其功率密度高，对主发动机的动力辅助效果更好，可以满足更大范围的由于输出功率需求波动对辅助动力的需求，所以在满足相同动力性能的情况下，可以更大程度地降低对发动机的排量要求，从而达到节能减排的目的。
在飞轮混动系统产品开发时，人们都会碰到以下共同问题和挑战：
�如何保证飞轮系统的安全，虽然相较飞轮电池，其要求已有所降低；
�如何在成本、效率、功率密度和能量密度等要素上进行权衡，在满足各自不同用途时达到最优性价比。
不同的飞轮混动系统开发商，其安全问题的解决手段不同，譬如威廉姆斯在其飞轮转子中应用了磁复合（MLC）技术，对飞轮转子防护材料和防护设计的要求大大降低。而要使高速旋转的转子在运行中减少能耗，有些飞轮混动系统将飞轮放臵在真空环境中运行。而要保持真空环境，Flybrid公司选择了其专利技术的密封装臵，而Ricardo（研发中）则选择使用其专利技术的磁耦合装臵，避免机械传动部件从真空室穿出。在功率密度和能量密度的权衡上，Flybrid选择了结构紧凑、飞轮设计质量较小的“机械式”飞轮系统，主要是要突出其高功率密度的特性，对能量的输出值有所牺牲。而常州海科的“电动式”飞轮混动系统在保留了“机械式”大功率、高效率的特性同时，其独特的结构对飞轮材料、飞轮转速、飞轮的使用条件、轴承、飞轮控制电机和控制器等的要求有所降低，也不需要CVT，所以其性价比较高，而且其灵活多模式的动力控制，适应性更强。
三、发展飞轮混动系统技术的科技建议
2009年10月国际汽联（FIA）竭力支持在混合动力赛车上使用飞轮系统，并声明“对于像飞轮这样能够减少对电瓶的依赖，并可应对内燃机的负荷变化的技术，证明是未来最有前途的方式。”这也与其希望提升汽车效率有关。现在是对飞轮，这个高功率、高能量存储系统在轻型和重型车辆领域的应用进行密切追踪和政策支持的合适时机。正如2011年12月美国橡树岭国家实验室受其能源部委派所做的飞轮系统评估报告所指出：飞轮技术特别适合于混合动力总成系统。飞轮可以有效地辅助混合动力传动系统，以满足混合动力汽车在加速时的高功率需求。在能量再生型制动过程中，飞轮通过能量吸收所能达到的功率和吸收效率都远远高于电池所能达到的水平。
在从飞轮和电池的性能比较中得出的一个推论是，飞轮系统的最有效利用是：在提供高功率的同时提供刚好够用的能量储备，从而有效完成其担当辅助动力的任务。飞轮系统相对混合动力电动汽车和纯电动汽车的电池和超级电容而言，可以满足或超越与动力相关的性能指标（放电功率，再生功率，比功率，功率密度，重量和体积）。飞轮可以提供高功率和能量存储，尤其是高功率。开展深度/插电式混合动力系统装臵原始创新，打破深度/插电式混合动力系统专利壁垒，研制深度/插电式混合动力轿车，是我国节能与新能源汽车发展重要任务之一，是以纯电驱动为新能源汽车发展和汽车工业转型的主要战略取向，重点推进纯电动汽车和插电式混合动力汽车产业化，推广普及非插电式混合动力汽车、节能内燃机汽车，提升我国汽车产业整体技术水平的重要实践，是坚持节能与新能源汽车“过渡与转型”并行互动、共同发展的总体原则指导的重要实践。建议国际投入引导性资金，聚集国内外优势力量开展研发。在合适时机，应投入引导性资金，支持飞轮混动系统原始技术创新和突破。
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