1 混合動力汽車上的能量儲存
1.1 混合動力汽車的應(yīng)用

混合動力汽車的主要目標(biāo)，是通過熱驅(qū)動和電驅(qū)動的最優(yōu)組合降低燃料消耗，圖2 為常見的普銳斯混合動力汽車的功率分配結(jié)構(gòu)，目前該車的年銷售量約為一百萬輛[1,2] 。

對于混合動力汽車來說，能量優(yōu)化包括：
⑴ 在城市工況下，由于發(fā)動機(jī)(ICE) 輸出功率小，其工作效率非常低，采用純電動模式，由儲能系統(tǒng)提供車輛行駛所需能量[3]；

⑵ 汽車減速過程中動能回收，制動能量貯存在儲存系統(tǒng)中。

目前，混合動力汽車能量存儲采用的是鎳氫電池。

1.2 能量需求
汽車減速往往發(fā)生在城市工況中, 從最大時速50km/h 降至零速。因此，儲能系統(tǒng)必須有回收相應(yīng)能量的能力。對于一個中型汽車來說, 這意味著大約50kJ 的能量和20kW 的功率。

當(dāng)汽車在交通路口減速或駐車時，車輛行駛所需功率為零，以30km/h 左右的速度行駛時，功率需求較低，發(fā)動機(jī)在這些工況下都應(yīng)該關(guān)閉。

車輛行駛速度為30km/h 時，所需功率主要為克服車輪的摩擦阻力，約為2kW，主要由儲能系統(tǒng)提供。這個階段通常發(fā)生在兩個交通燈之間的25s 之內(nèi)，能量消耗約為50kJ，速度不穩(wěn)定時，功率需求可能會超過2kW。圖3 為應(yīng)用該策略時，典型歐洲城市工況(EC) 下，能量存儲( 實(shí)線)、汽車速度( 虛線)以及發(fā)動機(jī)燃料消耗( 粗實(shí)線) 隨時間變化的函數(shù)。由圖可以看到，在車輛加速過程中額外的功率需求由發(fā)動機(jī)提供。

如果汽車時速在30km/h 時，儲能系統(tǒng)能量不足時，啟動發(fā)動機(jī)補(bǔ)充能量獲得較高的效率，這種控制允許汽車純電動行駛的距離在幾百m 以內(nèi)，主要考慮以下問題：

⑴ 減小CO2 的排放是全球所面臨的問題，并非是個別城市的需求；

⑵ 由于催化劑的預(yù)熱和發(fā)動機(jī)的類型，來自于混合動力汽車的氮氧化物 (NOx) 的排放相對于傳統(tǒng)的汽車減小了50%。

1.3 存儲技術(shù)的替代方案
隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，汽車需要高能量和高功率密度的儲能系統(tǒng)，圖4 為儲能技術(shù)替代方案的Ragone 圖，其中包括能量和功率密度的數(shù)量級。

定義發(fā)動機(jī)和油箱系統(tǒng)的能量密度為汽車燃燒時的熱密度。

受益于釹鐵硼材料和IGBT，電機(jī)和逆變器較發(fā)動機(jī)表現(xiàn)出更好的功率密度，因此，適合放在汽車發(fā)動機(jī)艙中。

⑴ 對于電池
① 能量密度是由電化學(xué)過程定義的。
② 功率密度是受連接導(dǎo)體的電阻率和電化學(xué)過程的限制。
③ 目前，為了保證混合動力汽車的循環(huán)續(xù)航時間，“記憶效應(yīng)”限制了鎳氫電池的放電只能達(dá)到10% 左右。
④ 另外，目前鋰離子電池比鎳氫電池也更昂貴一些。

⑵ 對于超級電容器
① 能量密度是由靜電過程定義的。
② 功率密度受電解質(zhì)和連接導(dǎo)體的電阻率的限制。

⑶ 對于飛輪儲能系統(tǒng)
① 能量密度是由轉(zhuǎn)動慣量的機(jī)械強(qiáng)度所決定。
② 功率密度是由能量轉(zhuǎn)換的電機(jī)所限制。

能量密度與功率密度的比值，表示能量和功率容量被充分利用時系統(tǒng)的典型耗時。如圖中所示，對于飛輪儲能系統(tǒng)來說，這個時間大約是5s。目前, 汽車的典型城市工況, 減速時間也大約是5s( 歐洲標(biāo)準(zhǔn)為該時間的1/2), 因此, 飛輪儲能的應(yīng)用成為了可能。

1.4 能量存儲管理策略
發(fā)動機(jī)關(guān)閉時, 儲能系統(tǒng)的SOC 減少。發(fā)動機(jī)工作時, 它向車輪傳遞動力, 其功率輸出為考慮實(shí)現(xiàn)下述的SOC 目標(biāo)時，增加或減小提供給儲能系統(tǒng)的能量。

⑴ 當(dāng)汽車高速行駛時，為了給儲能器內(nèi)部“釋放空間”，提高儲能系統(tǒng)吸收制動能量的能力，SOC 的設(shè)定值較低。

⑵ 當(dāng)汽車低速行駛時, 為了保證在發(fā)動機(jī)關(guān)閉的情況下，允許長時間的純電力驅(qū)動，這時SOC 的設(shè)定值較高。

圖5 為儲能系統(tǒng)的能量管理策略示意圖，圖3 為發(fā)動機(jī)工作時儲能能量的調(diào)整過程。

1.5 電源接口
圖2 和圖6 用一個傳動系功率分配機(jī)構(gòu)的實(shí)例說明儲能系統(tǒng)可以應(yīng)用的接口。
⑴ 電化學(xué)電池通過DC-DC 變換器與直流母線連接。
⑵ 超級電容通過DC-DC 變換器與直流母線連接，這是為了更充分的利用存儲的能量，其表達(dá)式為 選擇較高的、恒定的直流母線電壓。

⑶ 飛輪儲能系統(tǒng)以電機(jī)和逆變器作為接口，與直流母線連接，下文將對這種方案進(jìn)一步討論。

2 飛輪和電機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
2.1 由電機(jī)構(gòu)成的電源接口
由于以下原因，在飛輪和傳動系之間通過機(jī)械連接的方案并不可行。
⑴ 飛輪的速度較高，與傳動系的速度不匹配, 使用減速齒輪即使在空載時也會產(chǎn)生摩擦損耗，會減少存儲的能量。
⑵ 為減少飛輪旋轉(zhuǎn)的摩擦損耗，通常采用真空密閉裝置，但是機(jī)械連接軸通過該裝置是非常困難的。
⑶ 在汽車減速過程中，飛輪速度必須不斷增加, 這需要有無極的變速器。因此，如圖6 所示，選擇和飛輪在同一軸上的電機(jī)作為接口，交換飛輪儲存的能量。

2.2 飛輪材料和軸承技術(shù)

⑴ 相對于離心作用，復(fù)合材料比鋼材料具有更好的強(qiáng)度。
⑵ 但是從另一方面來說，鋼的密度也相對較大。在實(shí)現(xiàn)同等的能量密度時，采用復(fù)合材料需要更高的旋轉(zhuǎn)速度，并且可以采用磁浮軸承減小損耗。但是在汽車轉(zhuǎn)向過程中，旋轉(zhuǎn)軸變化導(dǎo)致其難以對陀螺力提供支撐。因此，選擇配有滾珠軸承的鋼質(zhì)飛輪。

2.3 飛輪能量密度的決定因素
對于一個旋轉(zhuǎn)的環(huán)，施加在環(huán)上的伸長壓力，與材料的密度ρ 和線速度V 有關(guān)，即最大伸長壓力由材料的物理特性決定，因此，無論環(huán)的幾何形狀如何，最大線速度也由材質(zhì)所決定。

飛輪存儲的動能其中m是旋轉(zhuǎn)物體的質(zhì)量，v 是線速度，無論環(huán)的幾何形狀如何，在考慮安全系數(shù)的情況下，最大線速度是一定的。所以，存儲的能量與飛輪的質(zhì)量成正比，具體飛輪形狀的選擇還需考慮其他因素。

2.4 由回轉(zhuǎn)效應(yīng)，軸承，電機(jī)決定的飛輪速度
⑴ 存儲的能量是其中J 是轉(zhuǎn)動慣量，ω 是角速度 。
⑵ 回轉(zhuǎn)效應(yīng)與角動量Jω 成正比。
由于回轉(zhuǎn)效應(yīng)的削弱作用，為產(chǎn)生同樣的能量則需要一個更大的角速度ω。根據(jù)儲存能量的需要，角速度ω = 20000rpm 的飛輪，回轉(zhuǎn)效應(yīng)小于典型發(fā)電機(jī)飛輪在 6000 rpm 時的回轉(zhuǎn)效應(yīng)。

然而，在汽車轉(zhuǎn)彎過程中，回轉(zhuǎn)效應(yīng)會在飛輪的兩個軸承之間產(chǎn)生一個轉(zhuǎn)矩，由于轉(zhuǎn)矩是力與距離的乘積，所以在車轉(zhuǎn)彎時，軸承間的間距增大使作用力減小。這使得該裝置有最小的組裝長度。

電機(jī)的尺寸由其輸出的轉(zhuǎn)矩C 決定，由于功率P = C ω,角速度越高，功率密度越高。此外，為了限制電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的需求，該裝置在(1/2~1) 倍的最大速度下得以應(yīng)用，因此只能回收約四分之三的能量。

2.5 電機(jī)裝配的外形結(jié)構(gòu)
對于電機(jī)來說：
⑴ 疊片長度決定電磁轉(zhuǎn)矩；
⑵ 線端部產(chǎn)生損耗但是不產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。因此，為獲取滿意的電機(jī)效率需要線端部與疊片長度較小的結(jié)構(gòu)，如圖11 所示，電機(jī)采用長度與直徑比較大的結(jié)構(gòu)。

此外，如果將飛輪和電機(jī)做成有統(tǒng)一長度和直徑的圓柱體，那么該儲能系統(tǒng)在汽車發(fā)動機(jī)艙內(nèi)的安裝就會變得簡單。

因此，將飛輪儲能系統(tǒng)的外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為圖12 所示，它由如下部分構(gòu)成：

⑴ 凸緣：垂直于飛輪儲能系統(tǒng)的轉(zhuǎn)軸；
⑵ 軸向環(huán)：該環(huán)包圍在電機(jī)的外側(cè)；
⑶ 飛輪：像杯子一樣包圍在電機(jī)的外側(cè)[8,9] 。

按這種方式設(shè)計(jì)的飛輪儲能系統(tǒng)，其直徑大約有20cm，因此，可以安裝在傳統(tǒng)汽車中12V 電池的位置，同時也能滿足車體自身剛度的要求。另外，將該系統(tǒng)的轉(zhuǎn)軸水平放置，就可以保證旋轉(zhuǎn)部件兩端軸承上承受相同的重量。

2.6 電機(jī)種類的選取
在大多數(shù)城市運(yùn)行工況下，汽車行駛速度都是比較低的,因此飛輪轉(zhuǎn)速接近于極限速度。為了節(jié)省儲能系統(tǒng)的能量，就要求發(fā)電機(jī)在高速、低轉(zhuǎn)矩情況下保持高效率運(yùn)行；同時，要求定子鐵耗最小，也就是此時定子中的磁通密度接近于0。

⑴ 永磁電機(jī)在空載時，定子中會產(chǎn)生很大的鐵損，同時由于磁通相抵也會導(dǎo)致一定的定子銅損。
⑵ 感應(yīng)電機(jī)在空載時，磁通為0，也就沒有定子鐵耗，因此，選感應(yīng)電機(jī)為飛輪儲能系統(tǒng)中的電機(jī)。需注意：感應(yīng)電機(jī)也是存在缺點(diǎn)的。在其低速運(yùn)轉(zhuǎn)時，最大轉(zhuǎn)矩也比較低。不過，只有在最大速度的1/2 以上時，才
會對最大轉(zhuǎn)矩提出要求，所以，在該種情況下并不用考慮這個問題。

2.7 考慮熱管理的轉(zhuǎn)子位置
常見的電機(jī)都是轉(zhuǎn)子在定子的內(nèi)部。因此，可將飛輪儲能系統(tǒng)設(shè)計(jì)為圖13 所示。定子是由水套冷卻的，而轉(zhuǎn)子則主要通過轉(zhuǎn)軸和軸承冷卻。

⑴ 轉(zhuǎn)軸的直徑有限且細(xì)長，熱量流過它時會產(chǎn)生很高的
溫度降。
⑵ 同時由于機(jī)械構(gòu)造的原因，將熱流動都約束在了軸承之間的部分[9] 。

鑒于以上原因，提出了如圖14 所示轉(zhuǎn)子在外部的設(shè)計(jì)方案。將轉(zhuǎn)子插入到飛輪內(nèi)，此時熱量則從鼠籠轉(zhuǎn)子的內(nèi)部穿過飛輪和氣隙到達(dá)外部水套所在的空間。通過大的熱傳導(dǎo)橫截面可以得到低溫降，同時在氣隙中產(chǎn)生大氣紊流[8,9,10,11] 。

2.8 內(nèi)部環(huán)境
外殼內(nèi)部的真空環(huán)境不會產(chǎn)生摩擦損耗，但是可能導(dǎo)致如下問題：

⑴ 與預(yù)期的不同，轉(zhuǎn)子的冷卻并不是通過飛輪外表面，而是通過轉(zhuǎn)軸和軸承，這又導(dǎo)致軸承很高的溫度降和熱約束問題；
⑵ 潤滑油脂的蒸發(fā)或者滾珠軸承上的油都會打破原有的真空狀態(tài)。雖然可以用無油銀軸承代替，但在這種應(yīng)用下它們的壽命會非常短。因此，要在外殼內(nèi)部空間中加入一種氣體，該氣體應(yīng)滿足以下條件：

⑴ 為減少飛輪和外部空間的溫度差，需要兩者之間的氣隙很小，同時要增大氣隙間的氣壓；
⑵ 另一方面，為減小飛輪和外部空間的摩擦損耗，反而需要?dú)庀队幸欢ǖ暮穸?，同時要減小氣隙間的氣壓。在同樣氣壓的情況下，氦氣的熱導(dǎo)率比空氣高7 倍，但是摩擦損耗卻比在空氣中要小7 倍。因此，選定氦氣為介質(zhì)氣體，也就需要有一個密封性非常好的外殼來封閉極小的氦分子。要在均衡考慮摩擦損耗和溫度降的情況下，折中選擇飛輪和外殼間的氣壓和氣隙厚度[9] 。

3 結(jié)論
本文研究了混合動力汽車電化學(xué)電池的替代解決方案，該替代方案由一個和傳統(tǒng)12V 電池大小差不多的飛輪組成。存儲約低于純電動汽車千分之一的能量，所以，就不會產(chǎn)生之前純電動汽車出現(xiàn)的危險的回轉(zhuǎn)問題。
不過，這么大的能量對于混合動力汽車的最優(yōu)化耗油量來說是足夠了。因此， 就可以用飛輪儲能系統(tǒng)代替之前昂貴的電化學(xué)電池。同時，技術(shù)方案的選擇也要考慮到機(jī)械、回轉(zhuǎn)器、電、熱、化工、空氣動力學(xué)、效率、可實(shí)現(xiàn)性、壽命和成本等因素。另外，飛輪儲能系統(tǒng)也會被充分應(yīng)用在：為減小能量消耗時的發(fā)電機(jī)非周期補(bǔ)償[12]，或者渦輪傳動系統(tǒng)突然加速時增加的功率需求等情況下[13] 。