1 混合動(dòng)力汽車上的能量儲(chǔ)存
1.1 混合動(dòng)力汽車的應(yīng)用

混合動(dòng)力汽車的主要目標(biāo)，是通過熱驅(qū)動(dòng)和電驅(qū)動(dòng)的最優(yōu)組合降低燃料消耗,，圖2 為常見的普銳斯混合動(dòng)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(duì)于混合動(dòng)力汽車來說,，能量優(yōu)化包括：
⑴ 在城市工況下,，由于發(fā)動(dòng)機(jī)(ICE) 輸出功率小，其工作效率非常低,，采用純電動(dòng)模式,，由儲(chǔ)能系統(tǒng)提供車輛行駛所需能量[3]；

⑵ 汽車減速過程中動(dòng)能回收,，制動(dòng)能量貯存在儲(chǔ)存系統(tǒng)中,。

目前，混合動(dòng)力汽車能量存儲(chǔ)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(shí)速50km/h 降至零速,。因此，儲(chǔ)能系統(tǒng)必須有回收相應(yīng)能量的能力,。對(duì)于一個(gè)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(shí)，車輛行駛所需功率為零,，以30km/h 左右的速度行駛時(shí),，功率需求較低，發(fā)動(dòng)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(shí),，所需功率主要為克服車輪的摩擦阻力,，約為2kW，主要由儲(chǔ)能系統(tǒng)提供,。這個(gè)階段通常發(fā)生在兩個(gè)交通燈之間的25s 之內(nèi),，能量消耗約為50kJ，速度不穩(wěn)定時(shí),，功率需求可能會(huì)超過2kW,。圖3 為應(yīng)用該策略時(shí)，典型歐洲城市工況(EC) 下,，能量存儲(chǔ)( 實(shí)線),、汽車速度( 虛線)以及發(fā)動(dòng)機(jī)燃料消耗( 粗實(shí)線) 隨時(shí)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(dòng)機(jī)提供,。

如果汽車時(shí)速在30km/h 時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)能量不足時(shí),，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)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(dòng)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(gè)別城市的需求,；

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

1.3 存儲(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)，圖4 為儲(chǔ)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(jí),。

定義發(fā)動(dòng)機(jī)和油箱系統(tǒng)的能量密度為汽車燃燒時(shí)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(dòng)機(jī)表現(xiàn)出更好的功率密度，因此,，適合放在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙中,。

⑴ 對(duì)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(dòng)力汽車的循環(huán)續(xù)航時(shí)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(duì)于超級(jí)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(duì)于飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)
① 能量密度是由轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)系統(tǒng)的典型耗時(shí),。如圖中所示，對(duì)于飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)來說,，這個(gè)時(shí)間大約是5s,。目前, 汽車的典型城市工況, 減速時(shí)間也大約是5s( 歐洲標(biāo)準(zhǔn)為該時(shí)間的1/2), 因此, 飛輪儲(chǔ)能的應(yīng)用成為了可能。

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

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

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

圖5 為儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量管理策略示意圖,，圖3 為發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)儲(chǔ)能能量的調(diào)整過程。

1.5 電源接口
圖2 和圖6 用一個(gè)傳動(dòng)系功率分配機(jī)構(gòu)的實(shí)例說明儲(chǔ)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(jí)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(chǔ)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(chǔ)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(duì)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(dòng)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(dòng)系的速度不匹配, 使用減速齒輪即使在空載時(shí)也會(huì)產(chǎn)生摩擦損耗,，會(huì)減少存儲(chǔ)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(chǔ)存的能量,。

2.2 飛輪材料和軸承技術(shù)

⑴ 相對(duì)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(duì)較大,。在實(shí)現(xiàn)同等的能量密度時(shí)，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(duì)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(duì)于一個(gè)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(chǔ)的動(dòng)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(chǔ)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(chǔ)的能量是其中J 是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，ω 是角速度 ,。
⑵ 回轉(zhuǎn)效應(yīng)與角動(dòng)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(gè)更大的角速度ω,。根據(jù)儲(chǔ)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(shí)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(huì)在飛輪的兩個(gè)軸承之間產(chǎn)生一個(gè)轉(zhuǎn)矩,，由于轉(zhuǎn)矩是力與距離的乘積,，所以在車轉(zhuǎn)彎時(shí)，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(duì)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(chǔ)能系統(tǒng)在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的安裝就會(huì)變得簡(jiǎn)單。

因此,，將飛輪儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(shí)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(chǔ)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(shí)，要求定子鐵耗最小,，也就是此時(shí)定子中的磁通密度接近于0,。

⑴ 永磁電機(jī)在空載時(shí)，定子中會(huì)產(chǎn)生很大的鐵損,，同時(shí)由于磁通相抵也會(huì)導(dǎo)致一定的定子銅損,。
⑵ 感應(yīng)電機(jī)在空載時(shí)，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(chǔ)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(shí)，最大轉(zhuǎn)矩也比較低,。不過,，只有在最大速度的1/2 以上時(shí)，才
會(huì)對(duì)最大轉(zhuǎn)矩提出要求,，所以,，在該種情況下并不用考慮這個(gè)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(chǔ)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(shí)會(huì)產(chǎn)生很高的
溫度降,。
⑵ 同時(shí)由于機(jī)械構(gòu)造的原因,，將熱流動(dòng)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(shí)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(shí)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(huì)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(huì)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(huì)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(shí)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(shí)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(gè)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(dòng)力汽車電化學(xué)電池的替代解決方案,，該替代方案由一個(gè)和傳統(tǒng)12V 電池大小差不多的飛輪組成。存儲(chǔ)約低于純電動(dòng)汽車千分之一的能量,，所以,，就不會(huì)產(chǎn)生之前純電動(dòng)汽車出現(xiàn)的危險(xiǎn)的回轉(zhuǎn)問題。
不過,，這么大的能量對(duì)于混合動(dòng)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(chǔ)能系統(tǒng)代替之前昂貴的電化學(xué)電池,。同時(shí),，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(dòng)力學(xué),、效率,、可實(shí)現(xiàn)性、壽命和成本等因素,。另外,，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)也會(huì)被充分應(yīng)用在：為減小能量消耗時(shí)的發(fā)電機(jī)非周期補(bǔ)償[12]，或者渦輪傳動(dòng)系統(tǒng)突然加速時(shí)增加的功率需求等情況下[13] ,。