1 混合動力汽車上的能量儲存
1.1 混合動力汽車的應用

混合動力汽車的主要目標，是通過熱驅動和電驅動的最優組合降低燃料消耗，圖2 為常見的普銳斯混合動力汽車的功率分配結構，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，能量優化包括：
⑴ 在城市工況下，由于發動機(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
汽車減速往往發生在城市工況中, 從最大時速50km/h 降至零速。因此，儲能系統必須有回收相應能量的能力。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，發動機在這些工況下都應該關閉。

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，主要由儲能系統提供。這個階段通常發生在兩個交通燈之間的25s 之內，能量消耗約為50kJ，速度不穩定時，功率需求可能會超過2kW。圖3 為應用該策略時，典型歐洲城市工況(EC) 下，能量存儲( 實線)、汽車速度( 虛線)以及發動機燃料消耗( 粗實線) 隨時間變化的函數。由圖可以看到，在車輛加速過程中額外的功率需求由發動機提供。

如果汽車時速在30km/h 時，儲能系統能量不足時，啟動發動機補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，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 由于催化劑的預熱和發動機的類型，來自于混合動力汽車的氮氧化物 (NOx) 的排放相對于傳統的汽車減小了50%。

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

定義發動機和油箱系統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，電機和逆變器較發動機表現出更好的功率密度，因此，適合放在汽車發動機艙中。

⑴ 對于電池
① 能量密度是由電化學過程定義的。
② 功率密度是受連接導體的電阻率和電化學過程的限制。
③ 目前，為了保證混合動力汽車的循環續航時間，“記憶效應”限制了鎳氫電池的放電只能達到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 功率密度受電解質和連接導體的電阻率的限制。

⑶ 對于飛輪儲能系統
① 能量密度是由轉動慣量的機械強度所決定。
② 功率密度是由能量轉換的電機所限制。

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的典型耗時。如圖中所示，對于飛輪儲能系統來說，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( 歐洲標準為該時間的1/2), 因此, 飛輪儲能的應用成為了可能。

1.4 能量存儲管理策略
發動機關閉時, 儲能系統的SOC 減少。發動機工作時, 它向車輪傳遞動力, 其功率輸出為考慮實現下述的SOC 目標時，增加或減小提供給儲能系統的能量。

⑴ 當汽車高速行駛時，為了給儲能器內部“釋放空間”，提高儲能系統吸收制動能量的能力，SOC 的設定值較低。

⑵ 當汽車低速行駛時, 為了保證在發動機關閉的情況下，允許長時間的純電力驅動，這時SOC 的設定值較高。

圖5 為儲能系統的能量管理策略示意圖，圖3 為發動機工作時儲能能量的調整過程。

1.5 電源接口
圖2 和圖6 用一個傳動系功率分配機構的實例說明儲能系統可以應用的接口。
⑴ 電化學電池通過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，其表達式為 選擇較高的、恒定的直流母線電壓。

⑶ 飛輪儲能系統以電機和逆變器作為接口，與直流母線連接，下文將對這種方案進一步討論。

2 飛輪和電機系統的設計
2.1 由電機構成的電源接口
由于以下原因，在飛輪和傳動系之間通過機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生摩擦損耗，會減少存儲的能量。
⑵ 為減少飛輪旋轉的摩擦損耗，通常采用真空密閉裝置，但是機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作為接口，交換飛輪儲存的能量。

2.2 飛輪材料和軸承技術

⑴ 相對于離心作用，復合材料比鋼材料具有更好的強度。
⑵ 但是從另一方面來說，鋼的密度也相對較大。在實現同等的能量密度時，采用復合材料需要更高的旋轉速度，并且可以采用磁浮軸承減小損耗。但是在汽車轉向過程中，旋轉軸變化導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飛輪。

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

飛輪存儲的動能其中m是旋轉物體的質量，v 是線速度，無論環的幾何形狀如何，在考慮安全系數的情況下，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 由回轉效應，軸承，電機決定的飛輪速度
⑴ 存儲的能量是其中J 是轉動慣量，ω 是角速度 。
⑵ 回轉效應與角動量Jω 成正比。
由于回轉效應的削弱作用，為產生同樣的能量則需要一個更大的角速度ω。根據儲存能量的需要，角速度ω = 20000rpm 的飛輪，回轉效應小于典型發電機飛輪在 6000 rpm 時的回轉效應。

然而，在汽車轉彎過程中，回轉效應會在飛輪的兩個軸承之間產生一個轉矩，由于轉矩是力與距離的乘積，所以在車轉彎時，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。

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

2.5 電機裝配的外形結構
對于電機來說：
⑴ 疊片長度決定電磁轉矩；
⑵ 線端部產生損耗但是不產生電磁轉矩。因此，為獲取滿意的電機效率需要線端部與疊片長度較小的結構，如圖11 所示，電機采用長度與直徑比較大的結構。

此外，如果將飛輪和電機做成有統一長度和直徑的圓柱體，那么該儲能系統在汽車發動機艙內的安裝就會變得簡單。

因此，將飛輪儲能系統的外形結構設計為圖12 所示，它由如下部分構成：

⑴ 凸緣：垂直于飛輪儲能系統的轉軸；
⑵ 軸向環：該環包圍在電機的外側；
⑶ 飛輪：像杯子一樣包圍在電機的外側[8,9] 。

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

2.6 電機種類的選取
在大多數城市運行工況下，汽車行駛速度都是比較低的,因此飛輪轉速接近于極限速度。為了節省儲能系統的能量，就要求發電機在高速、低轉矩情況下保持高效率運行；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 永磁電機在空載時，定子中會產生很大的鐵損，同時由于磁通相抵也會導致一定的定子銅損。
⑵ 感應電機在空載時，磁通為0，也就沒有定子鐵耗，因此，選感應電機為飛輪儲能系統中的電機。需注意：感應電機也是存在缺點的。在其低速運轉時，最大轉矩也比較低。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 考慮熱管理的轉子位置
常見的電機都是轉子在定子的內部。因此，可將飛輪儲能系統設計為圖13 所示。定子是由水套冷卻的，而轉子則主要通過轉軸和軸承冷卻。

⑴ 轉軸的直徑有限且細長，熱量流過它時會產生很高的
溫度降。
⑵ 同時由于機械構造的原因，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 所示轉子在外部的設計方案。將轉子插入到飛輪內，此時熱量則從鼠籠轉子的內部穿過飛輪和氣隙到達外部水套所在的空間。通過大的熱傳導橫截面可以得到低溫降，同時在氣隙中產生大氣紊流[8,9,10,11] 。

2.8 內部環境
外殼內部的真空環境不會產生摩擦損耗，但是可能導致如下問題：

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

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，反而需要氣隙有一定的厚度，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 結論
本文研究了混合動力汽車電化學電池的替代解決方案，該替代方案由一個和傳統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，就不會產生之前純電動汽車出現的危險的回轉問題。
不過，這么大的能量對于混合動力汽車的最優化耗油量來說是足夠了。因此， 就可以用飛輪儲能系統代替之前昂貴的電化學電池。同時，技術方案的選擇也要考慮到機械、回轉器、電、熱、化工、空氣動力學、效率、可實現性、壽命和成本等因素。另外，飛輪儲能系統也會被充分應用在：為減小能量消耗時的發電機非周期補償[12]，或者渦輪傳動系統突然加速時增加的功率需求等情況下[13] 。