引言
現代飛輪混合動力系統（FlywheelHybridPowerSystems，簡稱“飛輪混動系統”）技術是近十年在歐洲發展起來的基于先進變速箱技術的綠色汽車動力技術，與七八十年代興起的飛輪電池儲能技術有著本質區別。自2009年后在F1大賽和LeMans耐力賽等汽車技術最高展臺上嶄露頭角，由于其技術先進性及性價比優勢，此項技術已被越來越多的業內權威認定是下一代節能與新能源汽車動力主流技術之一，為節能與新能源汽車的規模推廣應用提供了技術和經濟可行性，并將從根本上突破日系汽車廠商在混合動力領域的技術壟斷和領先地位。歐洲的高端汽車大廠如保時捷、沃爾沃，捷豹等均已迅速跟進投入并聲稱將于2015年推出商業化的產品，并帶動SKF，GKN，Ricardo等著名零部件供應商和工程公司跟進（參見美國能源部報告）。
飛輪混動系統結合先進變速箱控制技術如CVT，電動無級變速EVT等，充分發揮飛輪的高功率比特點，不但有效地解決了現有節能與新能源汽車中普遍存在的因電驅動系統功率限制而造成的動力與節能效果不足問題，而且飛輪的機械功率可直接耦合到傳動系，大大提高了再生制動的效率及車輛的加速性能，這是飛輪混動系統具有高性價比的主要原因。
目前，飛輪混動系統有三種基本形式：
儲能式：其系統結構與飛輪電池相似，只是飛輪所儲能量大大降低，因而其安全性和陀螺效應可忽略不計；
機械式：飛輪通過CVT與車軸直接相連，其功率和能量傳送通過CVT控制實現。此系統除CVT控制外，不需功率電機和動力電池，因而也稱“純機械式”飛輪混動系統；
電動式：飛輪通過行星齒輪和調速電機等構成的電動無級變速系統與車軸直接相連，其功率和能量傳送主要通過機械系統，但也可以通過調速電機來進行功率和能量管理。此系統仍需電機驅動和動力電池，但電驅動系統容量可大幅下降至系統總功率和能量的幾分之一。國外目前已經開發成功的飛輪混動系統主要有儲能式和機械式兩種。其中英國的威廉姆斯混合動力有限公司主要開發高端賽車和超跑車用儲能式飛輪混動系統；另一家英國公司Flybrid則集中在“機械式”飛輪混動系統。國內常州海科新能源技術有限公司則致力于“電動式”飛輪混動系統的研發，將飛輪、控制電機與汽車傳動系統，以創新的結構通過行星齒輪連接起來，再用創新的控制方法實現了新穎的電混合無極變速。目前這三家專業公司都在星光照耀與主機廠合作開發節能與
新能源汽車乘用車型并計劃于2015年前推出市場。
一、飛輪電池技術及飛輪混動系統技術發展歷程
（一）飛輪電池及飛輪混動系統技術特點
現代飛輪混合動力（FlywheelHybridPower）系統技術是近十年在歐洲發展起來的基于先進變速箱技術的綠色汽車動力技術，與七八十年代興起的飛輪電池儲能技術有著本質的區別。飛輪電池和飛輪混動系統的結構對比如圖：
可見儲能式飛輪混動系統其系統結構與飛輪電池儲能系統相似，但是由于其飛輪所儲能量大大降低（通常是飛輪電池的幾十至百分之一），因而其安全性和陀螺效應可忽略不計。而其他形式的飛輪的機械功率還可以通過先進變速箱技術直接耦合到傳動系，譬如使用CVT或電動無級變速箱（EVT）。
飛輪混動系統與飛輪電池的關鍵不同在于：飛輪電池主要強調的是高能量儲備、低能量耗散，因此其飛輪重量相對更大，轉速更高，降低能量耗散的手段要更強。在這種限制條件下，安全性比較難保障，降低能量消耗的措施（如非接觸式磁軸承）成本也十分高昂，因此不具備在汽車上應用的成熟條件。
而飛輪混動系統強調的是功率密度要大，在車輛加速時能夠很好地滿足短時高功率需求，履行其輔助主動力源的職責，而對飛輪能量的儲備要求夠用就行，因為飛輪系統可以在車輛的頻繁剎車中不斷吸收能量，這樣就避開了飛輪電池對轉速、轉子質量，和維持能量低耗散的苛刻要求，使得其在安全性和成本上具備了在汽車上應用的成熟條件。
飛輪混動系統的主要技術特點是：
（1）穩定主動力源功率輸出。在汽車起步、爬坡和加速時，飛輪混動系統能夠進行瞬時大功率輸出，為主動力源提供輔助動力，并減少主動力源的動力輸出損耗。在保持相同動力性能情況下，發動機可以做得更小，從而油耗和排放也更低。此外，其不受化學電池放電深度限制，飛輪能量可以較徹底地釋放到動力系統中去。
（2）提高能量回收的效率。機械飛輪的功率密度遠高于相同功率的大功率動力鋰電池，其功率密度可達5000～l0,000W/kg，成本也遠低于它。在汽車下坡、滑行和制動時，飛輪混動系統能夠快速、大量地存儲動能，且能量儲存速度不受“活性物質”化學反應速度影響，相較深度混合動力系統，可回收的剎車能量比例也由35%提高到70%。因此相對于傳統混合動力系統昂貴的電池組和電驅動單元，飛輪混動系統是低成本和高效的選擇。
（3）相對于傳統混合動力系統，其系統使用壽命完全可覆蓋車輛全壽命周期，且系統維護周期長，無任何有毒材料，對環境無污染。
（二）飛輪電池及飛輪混動系統技術發展歷程
第一階段（2002~2006）研發階段
?2002年：荷蘭埃因霍溫大學（TU/e）的科研團隊創立Drive-TrainInnovations公司，開展研究“機
械式”飛輪混動系統的工程應用；
?2003年：英國汽車動力專家ChrisEllis創立EchoTech，與帝國理工的科研團隊進行“電動式”飛輪混動系統的研究及示范；
?2006年：英國汽車工程公司Ricardo與美國飛輪系統公司（AFS）合作開發基于先進的“儲能式”飛輪混動系統的高效電動汽車；
?2006年：美國麥格納汽車電子公司的廖越峰等對ChrisEllis的“電動式”飛輪系統的進行系統的分析和改進，完整地提出“電動式”飛輪系統的控制原理及產品概念，并申請多項美國專利。
第二階段（2007~2009）驗證階段
?英國的威廉姆斯混合動力有限公司為F12009賽季研發了使用飛輪的動能回收系統-儲能式飛輪混動系統；
?另一家英國公司Flybrid為捷豹公司開發的“機械式”飛輪混動系統在其JaguarXF原型車上進行了路試。
第三階段（2010至今）產業化階段
?2010年：VOLVO獲600萬瑞典克郎的政府支持，擬于2015年前實現“機械式”飛輪混動系統產業化1。
?2010年，保時捷公司宣布，將在2012年推出量產型Porsche918SpyderHybrid，該車型使用了威廉姆斯混合動力有限公司提供的“儲能式”飛輪混動系統。
?2012年，由威廉姆斯混合動力有限公司提供飛輪混動系統的AUDIR18E-TronQuattro歷史性地囊括了勒芒24小時耐力賽冠亞軍3。
二、國內外主要國家的飛輪混動系統技術研發情況
目前，國際上對飛輪混動技術的開發和應用主要集中在歐洲，而英國又走在了歐洲的前列。英國政府的“技術戰略委員會”近年來同時贊助了三個有關飛輪混動系統的研究項目（KinerStor，FHSPV和Flybus），分別由Ricardo、Flybrid和Torotrak主導，對飛輪混動系統在經濟型車、高端車和重型商用車領域的應用進行驗證，并以此積累關鍵技術。
美國和日本鑒于七、八十年代車載飛輪電池研發中出現的一些安全隱患對飛輪混動系統心存疑慮。但2011年12月美國橡樹嶺國家實驗室受其能源部委派所做的飛輪系統評估報告則充分認識到飛輪系統的巨大潛力和產業成熟性，并坦承歐洲正領導著飛輪技術在輕型和重型混合動力車輛上的
應用。鑒于FIA于2009年10月對飛輪系統的強力支持，報告建議美國能源部對飛輪，這種高功率、高能量存儲特性的技術在混合動力車輛上的應用在其計劃上給予重新考慮。報告還建議美國政府將其用于空間技術上的飛輪標準認證程序應用到車用飛輪混動系統領域，試圖通過標準制訂權的掌控來改變自己的相對落后地位（參見美國能源部報告）。
（一）國外主要國家的飛輪混動系統技術研發現狀
國外目前已經開發成功的飛輪混動系統主要有兩種：
1.儲能式
其結構與飛輪電池類似，都是通過電動機/發電機，和動力電子轉換裝臵來實現能量的轉換和傳輸。其再生制動能量的吸收和飛輪能量的釋放完全都要通過動能與電能的相互轉化才能實現，其功率的大小完全取決于電力傳動系統的容量。所以，其能量的雙重轉換增加了能耗，而要滿足高功率所要配臵的大容量電力傳動系統（雙電機及控制器等）價格不菲。但其優點是對系統集成度要求不高，應用在像F1賽車這樣對車輛的配重十分敏感的領域就十分適合，其另外一個優勢是能量釋放值相對更大。這項技術以英國的威廉姆斯混合動力有限公司為代表5，該系統使用了獨特的飛輪結構，將調速電機內臵于飛輪內部，電機的轉子與飛輪轉子做成一個整體。
2.機械式
飛輪與汽車傳動結構間通過機械無極變速器（CVT）和減速行星齒輪相連接，實現不同速度間的耦合與可調節的飛輪功率輸入輸出。由于飛輪混動系統的功率（或可認為是其能量的吸收和投送能力）主要取決于其系統中傳動系統的功率負荷能力，而“機械式”由于采用了高效且緊湊的CVT作為傳動裝臵，所以其功率密度是現有系統中最高的，但其局限在于昂貴且復雜的CVT系統。這項技術以英國的Flybrid公司產品為代表4。
（二）國內飛輪混動系統技術研發現狀
國內目前在飛輪混動系統方面主要是跟蹤研究，唯一的是例外是2012年初成立的常州海科新能源技術有限公司。該公司致力于“電動式”飛輪混動系統的研發，將飛輪、控制電機與汽車傳動系統，以創新的結構通過行星齒輪連接起來，再用創新的控制方法實現了新穎的電混合無極變速。
比較圖3和圖4“電動式”和“機械式”兩種飛輪混動系統的拓撲結構圖，可以清楚看到，
“電動式”主要是以電機通過行星齒輪調速機構取代了“機械式”的CVT調速機構，從而實現高
性能，高可靠性的扭矩和速度控制。
（三）國內外飛輪混動系統技術路線對比分析
當前世界主要的飛輪混動系統研發公司所采取的三條技術路線已經在上節說明了。下表
是三種飛輪混動系統技術路線簡要對比。
與威廉姆斯為代表的“儲能式”飛輪混動系統相比，常州海科的“電動式”飛輪混動系統由于其大部分能量是通過機械耦合的方式直接傳遞，只有一小部分能量通過電力傳動系統（飛輪控制電機、驅動電機及控制器等），這樣就將電力傳動系統的容量要求大大降低，而其動力性能和能量轉化效率卻基本保持了“機械式”飛輪的優點。與Flybrid的“機械式”飛輪混動系統相比，由于海科的“電動式”飛輪混動系統使用的是機電一體化的控制系統，其小功率的調速電機可以實現“機械式”所不具備的更加靈活的飛輪加、減速調節；而其獨立于機械傳動之外的另一條雙電機（低成本的）驅動功率流可以使整個系統對能量和功率的管理更有效、更有靈活性；相較于復雜且昂貴的CVT系統，不但結構簡單、成本低，而且更符合我國當前的產業發展現狀。
現代主流節能和新能源汽車動力技術的實質，就是將電驅動系統（電機，電機功率控制器，與電池）作為發動機的輔助動力結合到汽車動力結構中，實現下列三大節能效果：
?發動機最優效率點運行，及其功率和尺寸的縮減；
?低速、怠速時發動機停機，全電動模式；
?動能的剎車回收儲存，及加速時釋放。
而飛輪混動系統作為電驅系統的替代角色，在向主動力源（發動機）提供輔助動力時，在實現節能效果上，具有效率更高、成本更低、性能更佳等優點，其具體表現為：由于飛輪混動系統的功率密度高，再生制動的能量在回收和釋放時，不論是相對低成本的鎳氫電池或大功率但昂貴的鋰電池，其能量利用效率都更高、輸出功率更強，能耗節省更顯著，加速性提升也更明顯。由于沒有了對大容量動力電池的需求，因此其重量更輕，成本也最低。同時，由于其功率密度高，對主發動機的動力輔助效果更好，可以滿足更大范圍的由于輸出功率需求波動對輔助動力的需求，所以在滿足相同動力性能的情況下，可以更大程度地降低對發動機的排量要求，從而達到節能減排的目的。
在飛輪混動系統產品開發時，人們都會碰到以下共同問題和挑戰：
?如何保證飛輪系統的安全，雖然相較飛輪電池，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進行權衡，在滿足各自不同用途時達到最優性價比。
不同的飛輪混動系統開發商，其安全問題的解決手段不同，譬如威廉姆斯在其飛輪轉子中應用了磁復合（MLC）技術，對飛輪轉子防護材料和防護設計的要求大大降低。而要使高速旋轉的轉子在運行中減少能耗，有些飛輪混動系統將飛輪放臵在真空環境中運行。而要保持真空環境，Flybrid公司選擇了其專利技術的密封裝臵，而Ricardo（研發中）則選擇使用其專利技術的磁耦合裝臵，避免機械傳動部件從真空室穿出。在功率密度和能量密度的權衡上，Flybrid選擇了結構緊湊、飛輪設計質量較小的“機械式”飛輪系統，主要是要突出其高功率密度的特性，對能量的輸出值有所犧牲。而常州海科的“電動式”飛輪混動系統在保留了“機械式”大功率、高效率的特性同時，其獨特的結構對飛輪材料、飛輪轉速、飛輪的使用條件、軸承、飛輪控制電機和控制器等的要求有所降低，也不需要CVT，所以其性價比較高，而且其靈活多模式的動力控制，適應性更強。
2009年10月國際汽聯（FIA）竭力支持在混合動力賽車上使用飛輪系統，并聲明“對于像飛輪這樣能夠減少對電瓶的依賴，并可應對內燃機的負荷變化的技術，證明是未來最有前途的方式。”這也與其希望提升汽車效率有關。現在是對飛輪，這個高功率、高能量存儲系統在輕型和重型車輛領域的應用進行密切追蹤和政策支持的合適時機。正如2011年12月美國橡樹嶺國家實驗室受其能源部委派所做的飛輪系統評估報告所指出：飛輪技術特別適合于混合動力總成系統。飛輪可以有效地輔助混合動力傳動系統，以滿足混合動力汽車在加速時的高功率需求。在能量再生型制動過程中，飛輪通過能量吸收所能達到的功率和吸收效率都遠遠高于電池所能達到的水平。
在從飛輪和電池的性能比較中得出的一個推論是，飛輪系統的最有效利用是：在提供高功率的同時提供剛好夠用的能量儲備，從而有效完成其擔當輔助動力的任務。飛輪系統相對混合動力電動汽車和純電動汽車的電池和超級電容而言，可以滿足或超越與動力相關的性能指標（放電功率，再生功率，比功率，功率密度，重量和體積）。飛輪可以提供高功率和能量存儲，尤其是高功率。開展深度/插電式混合動力系統裝臵原始創新，打破深度/插電式混合動力系統專利壁壘，研制深度/插電式混合動力轎車，是我國節能與新能源汽車發展重要任務之一，是以純電驅動為新能源汽車發展和汽車工業轉型的主要戰略取向，重點推進純電動汽車和插電式混合動力汽車產業化，推廣普及非插電式混合動力汽車、節能內燃機汽車，提升我國汽車產業整體技術水平的重要實踐，是堅持節能與新能源汽車“過渡與轉型”并行互動、共同發展的總體原則指導的重要實踐。建議國際投入引導性資金，聚集國內外優勢力量開展研發。在合適時機，應投入引導性資金，支持飛輪混動系統原始技術創新和突破。
關于微控新能源
深圳微控新能源技術有限公司（簡稱微控或微控新能源）是全球物理儲能技術領航者。公司全球總部位于深圳，業務覆蓋北美、歐洲、亞洲、拉美等地區，憑借“安全、可靠、高效”的全球領先的磁懸浮能源技術，產品與服務廣泛受到華為、GE、ABB、西門子、愛默生等眾多世界500強企業的信賴。
面向未來能源“更清潔、高密度、數字化”的三大趨勢，公司持續致力于為戰略性新興產業提供能源運輸、儲存、回收、數據化管理提供系統解決方案。
