为什么飞轮混合动力系统从来没有赶上公路车？

在2010年保时捷在亚特兰大路进行的长达10小时的小勒芒系列比赛中，当Speed网络电视台的工作人员采访了环境保护局运输和空气质量办公室主任马戈·奥格（Margo T. Oge）时39辆的实验性911 GT3 R混合动力赛车在45辆赛车领域中排名前20位。

广播工作人员抓住一切机会，呼吁关注新保时捷的到来。混合动力街车正成为主流，并且与道路相关。 Oge多次将其与能源独立性和低碳排放一起作为EPA的必要条件。

但是，就像其类似的新一级方程式混合动力赛车表亲一样，这款特殊的911 GT3 R也不是普通的混合动力车。这是＆＃34; flywheel混合动力车。＆＃34; 911 Racer并非将并联的汽油发动机/电动机驱动系统与电池组合使用，而是将内燃扁平六缸与机电式飞轮储能系统配对。

保时捷赛车工程师于2007年开始研究赛车的混合动力系统。大约在同一时间，F1决定整合混合动力技术。从2009赛季开始，F1允许其团队使用称为动能回收系统（KERS）的轻度混合动力系统。

大多数F1团队开发使用电池的KERS，但Williams F1团队创建了机电飞轮系统。由于一级方程式赛车的技术规定，威廉姆斯最终没有参加该系统的比赛。 （有趣的是，克莱斯勒曾尝试在15年前为勒芒制造天然气/飞轮混合动力赛车，但该计划也从未参加过比赛。）

但是，保时捷最终从威廉姆斯混合动力车获得了这一概念的许可，并着手使其适应911 GT3 R Hybrid的耐力赛。奥迪在其无所不能的R18 e-tron Quattro柴油-电动原型车中也采用了飞轮。奥迪原型车使用了由英国汽车/航空航天供应商GKN进一步开发的系统，该系统于2014年收购了Williams Hybrid Power。该飞轮混合动力赛车赢得了数十场比赛，包括2012年，2013年的勒芒24小时耐力赛和2014。

鉴于这些备受瞩目的赛车工厂计划只限于F1和跑车竞赛，因此许多（即使不是大多数）休闲观察家都希望飞轮混合动力技术能够在几年内移植到量产车上。

简而言之，汽车飞轮混合动力系统利用机械飞轮电动机的动力在短时间内增加来自内燃机的动力。位于车辆的车轮或轮轴上的电动机/发电机产生从动能中收集的电能，否则动能在摩擦制动器使车辆减速时会浪费为热量。

但是，不是将能量发送到化学电池进行存储和重新部署，而是将电能用于驱动飞轮电机。嵌入飞轮中的新型磁性材料（有时是磁性粉末）将电能转换为旋转动能。施加的能量越多，旋转得越快。 （注意：这与日产未能成功为其2015年勒芒赛车开发的机械飞轮混合动力系统不同。）

飞轮的质量及其旋转速度（通常从25,000rpm升至55,000rpm或更高）决定了它可以释放的能量。为了将飞轮中存储的动能转换回电能，旋转磁场会产生反方向的电流（通过反转施加电压的极性），并且功率会传递到在此期间收集能量的相同电动机/发电机原始的制动事件。

如上所述，电动发电机可以位于车轮处。可替代地，飞轮马达可以经由无级变速器（CVT）或其他联接器连接至发动机驱动轴。需要时，它与驱动轴耦合，从飞轮获取势能，并将其转换为推动驱动轴和驱动轮的动能。

飞轮电机经常被与电容器相比，能够快速存储和释放能量。支持者提到了重量，成本和环境优势，优于传统的化学电池混合动力车。

在911 GT3 R中，飞轮电机使用了直径16英寸（406毫米）的碳纤维复合飞轮。飞轮电动机安装在碳纤维箱中，乘客座位将位于行驶的911上，飞轮电动机从每个前轮处的80hp（60kW）电动机/发电机接收功率，并向其供电。该配置使保时捷能够结合扭矩矢量功能，以改善从拐角顶点加速时的操纵/牵引力。

保时捷赛车中的飞轮电机的容量为0.2kWh。它可以提供163hp（122kW）的动力，最多可持续6秒钟，这可以提高加速能力（转弯或越过弯道），具体取决于驾驶员决定如何/何时通过方向盘上的按钮施加额外的动力。

该车的总系统输出约为670hp（500kW），重约2866磅（1300千克）。据报道，飞轮和支撑结构重约103磅（47千克），比电池-电动混合动力装置轻得多。总之，这辆车比与之共享赛道的传统保时捷GT3车重230磅（104千克）。

保时捷认为飞轮存储在极限功率的赛车充电/放电循环中比锂离子电池更耐用。与电池不同，飞轮电动机每分钟可以多次充满电（加速到其最大速度）和放电（减速到接近停止），而不会产生不利影响。

911 GT3 R Hybrid由于具有相对的燃油效率（即使不是绝对的速度），实际上还是在2010年纽伯格林24小时耐力赛中领先了八个小时，然后才退出比赛。在2010年的勒芒小汽车赛上，尽管消耗量很大，但赛车最终获得了第18名。

它在2011年再次参加比赛，但此后由于保时捷专注于其919 Hybrid World Endurance Championship原型赛车而被搁置一旁。

保时捷北美地区总裁兼首席执行官丹尼尔·阿布布鲁斯特（Daniel Armbruster）表示，保时捷对在勒芒行驶的919 Hybrid赛车承诺的转变，部分与其当代的公路超级跑车项目有关。

＆＃34;大约在918 Spyder插电式混合动力超级跑车上，这项工作也已经在进行中，＆＃34;他记得。 ＆＃34;在两种情况下（919/918），发现锂离子电池在其各自的目的上提供了能量保持和功率传递的最佳平衡。

尽管它具有常规的起停特性，因此也有收集再生制动能量的机会，但街道驾驶的特点不是需要从弯道顶点到弯道顶点冲刺，需要像赛车一样以最大可能的速度加速和加速。快速，密集的能量回收和后续部署的需求已被慢节奏的电能生成和部署的强制要求所取代，从而将重点转移到了能量存储上。

＆＃34; 911 GT3 R Hybrid的飞轮混合动力技术可节省燃料，因此与它所竞争的汽车相比，减少了维修时间，＆＃34; Armbruster解释。在赛车应用中，由于频繁的硬制动和加速都可以更有效地使用飞轮，这对于该技术的短期储能能力和高输出能力都是很好的匹配。

＆＃34;但这项技术并非没有挑战。通常，飞轮不会存储太多能量，而只会存储制动能量，＆＃34;他说。 ＆＃34;电池能够以飞轮根本无法匹配的方式实现高度稳定的长期能量存储。对于需要无本地排放的按需驾驶能力非常重要的道路使用（在欧洲部分地区，这种情况正在越来越多），基于电池的解决方案是最佳的混合动力总成选择。＆＃34;

飞轮混合动力的有限存储容量使保时捷的技术望而却步，但Armbruster补充说，不可否认的是911 GT3 R Hybrid在证明混合动力技术在高性能跑车中占有一席之地起着举足轻重的作用。应用程序。＆＃34;

从今天开始回顾这一时刻，威廉姆斯高级工程（WAE）的首席设计工程师Glen Pascoe表示，飞轮电机系统的能量快速捕获和释放更适合于峰值循环应用。

＆＃34;除了在市中心使用之外，典型乘用车的占空比也不适合重复的“启停”模式。最适合飞轮技术的自然环境，＆＃34;帕斯科说。 ＆＃34;与化学电池不同，飞轮中存储的能量总是在耗尽，化学电池可以在很长一段时间内保持其充电状态。

威廉姆斯当吉凯恩（GKN）修改了伦敦客车的系统时，基本的飞轮混合动力概念确实在2015年到达了市中心。 GKN的Gyrodrive飞轮混合动力系统包括由车辆的驱动轴驱动的牵引电动机，电动飞轮，用于电动机/飞轮单元的逆变器以及电子控制系统。

该系统及其后续变体已在英国制造商Alexander Dennis的公交车中用于单层和双层公交车模型中。然而，对于采用各种电池策略的城市用汽车（出租车）来说，陀螺仪飞轮系统被认为过大且昂贵。

格伦·帕斯科（Glen Pascoe）表示，WAE目前尚未专门改进任何飞轮系统，但补充说，由于我们跨多个行业开展工作并详细研究了客户的要求，因此该技术可能适用于某些飞轮系统。未来。＆＃34;

如果当前的兴趣似乎更多地集中在混合动力电池和快速充电的开发上，那么这可能包括赛车，如果赛车系列/制裁机构允许使用这种设备。 WAE目前正使用与飞轮系统几乎相同的方式使用再生制动，为大型矿用卡车开发氢燃料电池。

保时捷北美赛车总裁说，该公司一直在评估哪种技术可以为当前情况提供最佳解决方案。不排除任何单一方法。

Armbruster解释说，保时捷的战略包括内燃动力总成，运动型插电式混合动力车和全电动汽车...我们还正在研究合成燃料的开发，这些燃料为内燃机提供了无害环境的方法，已经在路上。＆＃34;

具有讽刺意味的是，我们大多数人现在遇到的飞轮混合动力是我们乘坐的车辆（公共汽车，火车，轮船）而不是驾驶。静态飞轮系统也在开发中。在德国，一家名为Chakratec的公司刚刚在莱比锡的Premier Inn安装了飞轮存储系统，该系统旨在管理EV充电器的峰值负载。

但是大约十年前，飞轮发动机增强型赛车领跑了纽伯格林24，并且与轻型GT3赛车进行了可靠的竞争。进一步的投资可以减轻此类系统的能量存储能力，并有可能提高这种系统的能量存储能力，从而使驾驶员和飞轮再次配对，而这项运动很少会将一切丢掉。

我参与了对装有GHK飞轮系统的公共汽车的动态测试。 GHK的一位工程师告诉我，一件有趣的事是，伦敦城市公交车和一级方程式赛车在停车时和行驶时的功率需求都非常相似。只是一个重不到一吨，另一个重约十二吨。