飞轮式增程器（Range-Extender）的动能回收

作者：重庆绿色智能技术研究院 张昱琳    来源：中国机械与金属

欢迎访问e展厅 展厅 1 发动机展厅 汽油发动机, 柴油机, 船用柴油机, 天然气发动机, 气缸及部件, ... 中国在传统内燃机汽车关键方面一直落后并长期依赖于发达国家，造成了中国汽车行业长期处在一种低水准、高成本的运作模式，非常不利于中国汽车行业的正常发展。 然而目前石油资源的短缺和环境的日益恶化，使得各国汽车企业考虑从传统内燃机汽车向新能源电动汽车转型，这也给中国汽车行业带来了发展契机，大力发展新能源电动汽车，掌握其关键技术，就能让中国汽车企业在未来的全球竞争中占得先机，在汽车行业占据领先地位。 电动汽车指全部或部分用电能驱动电动机作为动力系统的汽车。目前按照驱动设备，电动汽车主要分为纯电动车（PEV），混合动力车（HEV）以及燃料电池车（FCEV）三大类。电动汽车具有高效、节能、低噪声、零排放等显著优点，在环保和节能方面具有不可比拟的优势。 由于目前蓄电池储能有限，电动汽车存在续驶里程短的问题。考虑采用在电动汽车上加装一个增程器（Range-Extender）的方法来增加电动汽车的续驶里程。 增程器（Range-Extender）是为了增加电动汽车行驶里程而加装在电动汽车上的一个附加储能部件。通常用户可以在出行时根据行驶里程需求自行选择安装或者不安装（降低车重，可以减少能量消耗）。 增程器的主要性能： （1）系统可靠，长时间待机后可以立刻进入工作状态。 （2）由于工况单一，对工作点能进行较好的优化以降低系统成本，提高效率。 增程器的形式通常有：小型发电机、蓄电池和燃料电池等。然而无论是电池还是发电机，都存在体积大、重量大、功率密度低、充电时间长、连续工作时间短、使用寿命短等问题。 飞轮动能回收技术的挑战 为了实现增程器在电动车上的高效利用，各国科学家都在探索新的途径来满足电动汽车的需求，而飞轮储能就很好地解决了这个问题。 所谓的飞轮储能技术，就是将飞轮转子与电机转子连接在一起。储能时，外部设备通过无级变速器给电机提供电能，电机作为电动机，使得加速旋转的飞轮将能量转化为机械能储存起来；释放能量时，飞轮减速旋转并带动此时作为发电机的电机运行，将机械能释放出来供给负载。 飞轮储能有以下特点：功率密度大，储能密度高，“充电”时间短且无过“充电”和过“放电”问题，寿命长且适合循环使用，对环境友好属于绿色储能技术等。 日常生活中，当汽车制动时，通过摩擦将动能以热能的形式消耗掉了，飞轮动能回收技术的挑战就在于如何充分有效地利用行驶中不断重复的走走停停，将这些因高间歇性但持久发生的制动所损失的能量收集起来，并在汽车再次起步提速时将该能量释放。 然而目前典型储能辅助装置均采用马达-发电机传递飞轮功率，我们可以知道该动力系中存在电能和动量之间的能量转化，因此有新增了能量损失问题，通常来说，如果存在能量转换，那么该系统能量的效率将会变得很低。 不少学者提出的机械式飞轮动能回收系统，可以直接将因制动而产生的能量直接以动能的形式存储起来。这是说，当车辆加速时，飞轮释放其存储的机械能到传动系；与之相反的情况是，当车辆减速或制动时，飞轮式直接动能。在整个操作过程中，并没有不同能量形式的转换，这一点相对于飞轮电池来说，无疑是最有价值的优点。然而该机械式飞轮系统由于其驱动模式变换的离散性，使得其控制系统变得相当复杂。 因此，考虑将飞轮系统安装在增程器中，作为电动汽车续航的动力源，突破了化学电池的局限性，利用物理方法就能实现储能。考虑到并行结构的传动系统无论是在大小和重量上通常都优于串行结构以及目前相当成熟的无级变速器技术，因此，采用利用飞轮式增程器结合无级变速器的并联传动系统可以达到降低能量消耗，提高能量传输效率以及降低操作维护成本的效果。 国内外现状 目前，美国在飞轮储能技术研究领域处于世界领先水平。大部分科研机构都是在美国能量研究发展署（ERDA），美国能源部（DoE）以及美国航空航天局（NASA）的资助下专门研究基于飞轮的能量储存。美国飞轮系统公司（AFS）采用Kevla纤维复合材料制作飞轮，研制出转速为1.5×105-2.0×105r/min的飞轮储能系统，已成功地把一辆克莱斯勒LHS轿车改成电动轿车AFS20；美国能源部与州立爱迪生电力公司、阿贡国家实验室合作开发储能飞轮，进行超导磁悬浮轴承飞轮储能系统的研究开发，轴承摩擦系数已达到3×10-7的世界记录。此外，休斯顿大学进行了高温超导磁轴承飞轮储能的研究，并研制出质量为19Kg飞轮储能系统；马里兰大学与NASA合作研究出了300Wh的“OPEN CORE COMPOSITE FLYWHEEL”，目前正在进行试验研究；柏克利大学的研究小组得到美国国家自然科学基金资助，正在研究混合型电动车的飞轮储能系统。除美国之外，其它一些发达国家也对储能飞轮展开了广泛研究。加拿大一家公司研制出了转速达31,000r/min的飞轮，可连续输出50kW 的功率，最高效率达98%。日本也对飞轮储能技术进行了深入的研究，日本石油公司和雪谷控制研究所共同研制一种电动汽车用飞轮储能系统，飞轮呈圆柱体形，半径230 mm，质量65 kg，由轻质碳纤维复合材料制成。充电后最高转速为36,000 r/min，飞轮动能的85%可转化为电能。日本的ISTEC等机构也在从事飞轮动能系统的研究，研究重点是超导在该系统中的应用。法国国家科研中心、德国物理高技术研究所、意大利的SISE在20世纪90年代初即开展高温超导磁轴承的飞轮储能系统研究，瑞士联邦工学院机器人及机电一体化研究所也开展了主动磁轴承飞轮储能系统研究。 与上述发达国家相比，中国对于飞轮动能回收系统研究的起步比较晚。目前中国进行飞轮储能技术研究的机构主要有清华大学、中科院电工研究所、北京航空航天大学、东南大学等。清华大学工程物理系和中科院电工研究所设计并成功运行储能为0.3kwh的小型飞轮储能系统，实现飞轮线速度500m/s，发电功率20OW，而电动汽车用的飞轮转子还处于理论论证以及模仿国外产品的阶段。 由于飞轮动能回收系统是一门涉及多学科的复杂技术，所以迄今为止，国内外仍然没有形成一套成熟的理论和设计方法。并且目前普遍存在飞轮边缘线速度低，单位质量储能低，损耗大，能量转换和传递系统复杂等一系列问题，飞轮储能并未得到真正的发展。 应用前景 飞轮式增程器系统是纯绿色对环境十分友好的产品，会在真正意义上实现汽车零排放和无噪音，以适应环保要求。 将飞轮式增程器应用于汽车制造业中，可以提高车辆的经济和动力性能。此外，期望借助于现有汽车生产平台，使飞轮动能回收系统理论与实际相结合，可以将其应用于实际产业中。 再者，与传统化学电池相比，飞轮式增程器系统是一种重量轻、体积小、价格低且回收动能快、寿命长、高效节能的能量回收方案，因此飞轮式增程器系统将会降低能源消费和提高能源利用率。 综上所述，随着环境污染及能源危机问题的恶化以及家用汽车越来越普及，汽车的节能和减排问题变得越来越重要，所以研究既经济可靠又对环境友好的飞轮动式增程器显得十分必要。(end)

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