周紅凱，謝振宇，王 曉

（南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院，江蘇 南京 210016）

0 引言

當前，我國汽車保有量已超過1億輛，而汽車是石油的主要消耗者，也是城市環(huán)境惡化的主要因素，而推廣電動汽車是目前可行的解決方式。車載動力電池是電動汽車的動力源泉，是制約電動汽車廣泛應(yīng)用的主要因素之一。目前，研究較多的車載動力電池包括化學(xué)蓄電池、燃料電池、太陽能電池、超級電容器和車載飛輪電池等。飛輪電池又稱機械電池，它利用飛輪高速旋轉(zhuǎn)存儲能量。與其他車載動力電池相比，飛輪電池具有比能量大、比功率高、使用壽命長、充電時間短、無環(huán)境污染和效率高等優(yōu)點，存儲1kW·h能量成本僅為超級電容器的1／20［1］。先進飛輪電池［2-4］的比能量可達150W·h／kg，比功率為5～10kW／kg，遠高于一般的化學(xué)電池。在儲能一定的情況下，其質(zhì)量比超級電容更輕、體積更小，更加有利于車載布置及安裝。

1 車載飛輪電池的工作原理

一種典型的車載飛輪電池的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 車載飛輪電池的結(jié)構(gòu)

車載飛輪電池儲能系統(tǒng)能量流動如圖2所示。車載飛輪電池一般有3種運行狀態(tài)：充電狀態(tài)、保持狀態(tài)和放電狀態(tài)。當汽車停止時，飛輪處于保持狀態(tài)，電動／發(fā)動機處于空載狀態(tài)；當汽車行駛或爬坡時，電動／發(fā)電機處于發(fā)電機運行狀態(tài)，將轉(zhuǎn)子的動能轉(zhuǎn)換為電能輸出；當汽車夜間充電時，電動發(fā)電機處于電動機運行狀態(tài)，將外部電能轉(zhuǎn)換為飛輪轉(zhuǎn)子的動能儲存起來。另外，當汽車下坡或制動時，電動／發(fā)電機和電力電子轉(zhuǎn)換裝置可將汽車部分動能轉(zhuǎn)換為飛輪轉(zhuǎn)子的動能。

圖2 車載飛輪電池儲能系統(tǒng)的能量流動

2 車載飛輪電池的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 飛輪的能量存儲

在設(shè)計車載飛輪電池時，為減小汽車整體重量，通常在滿足高儲能量情況下，以體積和質(zhì)量最小化作為優(yōu)化目標。飛輪存儲的能量為：

J為飛輪轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)動慣量；ω為轉(zhuǎn)子運行角速度；Ks為飛輪的形狀系數(shù)；σm為飛輪的拉伸強度極限；ρ為飛輪的材料密度。

由式（1）可知，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量和轉(zhuǎn)速決定了飛輪的儲能量。提高飛輪的儲能量有2個途徑：一是增加飛輪的輪緣質(zhì)量以增大轉(zhuǎn)動慣量，二是提高飛輪的轉(zhuǎn)速。對車載飛輪電池來說，受汽車整體體積和重量的限制，不適合以提高飛輪轉(zhuǎn)動慣量來提高飛輪存儲能量；而提高飛輪轉(zhuǎn)速必須要克服飛輪輪緣材料強度約束、軸承發(fā)熱及摩擦阻力等技術(shù)問題。

由式（2）可知，常選用抗拉強度高、密度小的材料來制作飛輪轉(zhuǎn)子，以提高飛輪儲能密度。受先進高強纖維的高技術(shù)貿(mào)易壁壘所限，國內(nèi)飛輪儲能密度的目標是60～80W·h／kg［5］。

由于高轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)動慣量的飛輪，其陀螺效應(yīng)問題不可忽視，因此，其陀螺力矩為：

M為陀螺力矩矢量；ω為飛輪繞慣性主軸旋轉(zhuǎn)的角速度矢量；Ω為基礎(chǔ)運動角速度矢量。

2.2 飛輪材料

2.2.1 金屬材料

由于金屬材料制成的飛輪轉(zhuǎn)速相對較低，存在摩擦損耗大、儲能密度低、儲能量小、壽命短和體積大等缺陷，且一旦發(fā)生故障，破壞性較為嚴重，因此，逐漸被復(fù)合材料所取代。

2.2.2 復(fù)合材料

為提高飛輪儲能系統(tǒng)的性能，飛輪轉(zhuǎn)子常采用高強度復(fù)合材料和高慣量結(jié)構(gòu)，以提高飛輪的極限轉(zhuǎn)速和儲能量。常用復(fù)合材料的主要性能參數(shù)如表1所示。由表1可知，復(fù)合材料具有比能量高、比功率大、低密度和高強度等特點，由復(fù)合材料制成的飛輪轉(zhuǎn)子線速度達1km／s以上，且存儲相同能量的復(fù)合材料飛輪幾乎要比剛質(zhì)飛輪輕1個數(shù)量級。

表1 幾種環(huán)形復(fù)合材料及鋼質(zhì)飛輪轉(zhuǎn)子的參數(shù)

飛輪電池在高轉(zhuǎn)速時的內(nèi)部應(yīng)力作用下，易引起轉(zhuǎn)子破裂而失效。在安全防護方面，復(fù)合材料制成的飛輪在發(fā)生破裂時，造成的事故較小。

2.2.3 飛輪轉(zhuǎn)子的制作工藝

飛輪本體強度不僅與材料強度有關(guān)，也與飛輪的制造方法有關(guān)。由于高強度復(fù)合材料顯著的各向異性，導(dǎo)致纖維復(fù)合材料纏繞成的飛輪徑向抗拉強度低而發(fā)生層間脫裂，為使復(fù)合材料飛輪儲能量更高，必須采用特殊的制作工藝，以克服復(fù)合材料的脫層現(xiàn)象。研究表明，多環(huán)轉(zhuǎn)子的儲能密度遠遠大于單環(huán)飛輪轉(zhuǎn)子的儲能密度，且多層復(fù)合材料飛輪采用過盈配合，可提高轉(zhuǎn)子的極限角速度，增加儲能量，減少了轉(zhuǎn)子重量。

2.3 支撐裝置

2.3.1 車載飛輪電池的振動

汽車在行駛時，汽車振動影響車載飛輪電池的穩(wěn)定運行?？紤]車身質(zhì)心比車身其他地方振動相對較小，因此，常將飛輪電池加載在汽車車身質(zhì)心上。

由于加工誤差使飛輪轉(zhuǎn)子存在不平衡量，當飛輪超高速旋轉(zhuǎn)時引起飛輪振動，同時飛輪轉(zhuǎn)子在臨界轉(zhuǎn)速附近運行時振動較大。在車載飛輪電池的振動工程中，針對以上振動的減振措施為：轉(zhuǎn)子動平衡、快速越過臨界轉(zhuǎn)速和添加阻尼器等方法。由于汽車振動是多個自由度的振動，磁懸浮轉(zhuǎn)子也將產(chǎn)生多個自由度的振動。而轉(zhuǎn)子的振動激勵來源于定子，汽車振動將激勵傳于定子，定子發(fā)生振動，影響轉(zhuǎn)子振動。

2.3.2 軸承支撐技術(shù)

軸承除承受飛輪轉(zhuǎn)子自身重量外，還承受飛輪重心偏離引起的離心力和高速旋轉(zhuǎn)飛輪產(chǎn)生的陀螺效應(yīng)力，因此，它關(guān)系到飛輪電池的效率和可靠性。常用的支撐裝置有機械軸承和磁懸浮軸承。

機械軸承支撐剛度大，存在極限轉(zhuǎn)速低和摩擦發(fā)熱嚴重等問題。目前，機械軸承更多地用于保護軸承，對磁軸承起保護作用。

磁懸浮軸承具有高轉(zhuǎn)速、無接觸磨損和使用壽命長等特性。但磁軸承的支撐剛度比機械軸承低1～2個數(shù)量級。目前，國內(nèi)外對磁懸浮軸承的研究較多，主要有電磁軸承、超導(dǎo)磁軸承、永磁軸承及其組合式軸承等。

電磁軸承又稱主動磁懸浮軸承，其突出優(yōu)點在于可對轉(zhuǎn)子進行主動控制，實時在線監(jiān)測轉(zhuǎn)子的狀態(tài)，抑制轉(zhuǎn)子振動，使轉(zhuǎn)子穩(wěn)定運行。電磁軸承主要缺點是其電磁損耗大，目前，國內(nèi)外對主動磁軸承研究多集中在高性能數(shù)字控制電磁磁軸承和降低磁軸承損耗方面。

超導(dǎo)磁軸承主要是利用超導(dǎo)體的邁斯納效應(yīng)和磁通釘扎效應(yīng)，實現(xiàn)飛輪電池轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定懸浮，無控制裝置，減小了飛輪電池的體積。由于超導(dǎo)磁軸承必須運行在低溫下，要求恒溫冷卻系統(tǒng)，所以整體費用高。高溫超導(dǎo)磁軸承摩擦系數(shù)可達到3×10-7。

根據(jù)Earnshow著名理論，單靠永磁軸承不可能實現(xiàn)穩(wěn)定懸浮，常將其與其他軸承合成組合支撐裝置。永磁軸承與其他軸承的配合使用，不僅能簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低成本，還能提高系統(tǒng)儲能效率。

永磁磁懸浮軸承和超導(dǎo)磁懸浮軸承均為全被動磁軸承，目前以兩者組合而成的全被動磁懸浮軸承研究最熱，但其懸浮性能還不夠穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)復(fù)雜并且造價過高，還有待更深的研究。

2.4 電動／發(fā)電機

2.4.1 感應(yīng)電機

感應(yīng)電機是較早用于飛輪儲能系統(tǒng)中的一種電機。感應(yīng)電機調(diào)速控制技術(shù)比較成熟，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低、運行可靠、轉(zhuǎn)矩脈動小、噪聲低、轉(zhuǎn)速極限高和無位置傳感器等優(yōu)點。但感應(yīng)電機的轉(zhuǎn)速控制范圍小，轉(zhuǎn)矩特性不理想，不適合用于頻繁啟動和加減速的車載飛輪儲能系統(tǒng)中。

2.4.2 開關(guān)磁阻電機

開關(guān)磁阻電機（SRM）的突出優(yōu)點為可在較寬轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)高效運行，控制靈活，可四象限運行，響應(yīng)速度快和成本低。實際應(yīng)用表明，SRM存在著轉(zhuǎn)矩波動和噪聲大、電磁性能較差及需要位置檢測器等缺點。近年來，一些學(xué)者將軸向疊片各向異性轉(zhuǎn)子應(yīng)用于開關(guān)磁阻電機中，使電機的性能得以提高，其在飛輪電池中的應(yīng)用研究也逐漸增多。

2.4.3 永磁無刷電機

永磁無刷直流電機轉(zhuǎn)子一般選用釹鐵硼永磁材料，使得轉(zhuǎn)子在理想狀態(tài)下沒有能耗損耗，且可使電動／發(fā)電機的體積和重量大大減小。永磁同步電動機具有效率高，電機的轉(zhuǎn)速容易控制等優(yōu)點。永磁電機在各種運行條件下都有較高效率，轉(zhuǎn)速高達200000r／min。

2.5 電力電子轉(zhuǎn)換裝置

在電機選定情況下，飛輪電池系統(tǒng)的效率與電力電子轉(zhuǎn)換裝置密切相關(guān)。

電力變換器是飛輪電池中電能和動能轉(zhuǎn)換的橋梁，是控制整個飛輪電池正常工作的核心組成部件，而飛輪電池的壽命也主要取決于其電力電子器件的壽命。電力電子裝置通常是由FET或IGBT組成的雙相逆變器和控制電路，它決定了飛輪電池能量的輸入輸出，而與儲能裝置外界負載的性質(zhì)無關(guān)。電力變換器是通過控制電動／發(fā)電機，實現(xiàn)電能與機械能的相互轉(zhuǎn)換，具有調(diào)頻、整流和恒壓等功能。

2.6 真空室

真空室的主要作用有2個：一是提供真空環(huán)境以降低風(fēng)損，二是屏蔽事故。真空度對系統(tǒng)效率起主要的決定作用，目前國際上真空度一般可達10-5Pa量級。

英國研究人員用低速運轉(zhuǎn)試驗證實：氦氣環(huán)境有利于減小風(fēng)損，提高真空度雖能降低風(fēng)損，但因為稀薄氣體環(huán)境散熱功能減弱，飛輪本體溫升較高。

3 國內(nèi)外車載飛輪電池的研究現(xiàn)狀

3.1 飛輪轉(zhuǎn)子技術(shù)現(xiàn)狀

Active Power公司的240kW／0.8kW·h，Vycon公司的140kW／0.58kW·h和Pentadyne公司的120kW／0.67kW·h的飛輪儲能電池，均為大質(zhì)量金屬轉(zhuǎn)子的快速充放電系統(tǒng)。

2011年，Beacon Power公司在紐約Stephen鎮(zhèn)完成的世界上最大飛輪儲能系統(tǒng)20MW的安裝運營，采用世界上最先進的碳纖維復(fù)合飛輪轉(zhuǎn)子技術(shù)，吸收并釋放1MW的電能僅需15min［6］。

2010年，美國波音公司設(shè)計的飛輪轉(zhuǎn)子，其復(fù)合材料主體部分根據(jù)回轉(zhuǎn)受力的不同，采用了3層復(fù)合材料裝配而成，每層應(yīng)用不同規(guī)格的碳纖維，并用不同的纏繞方式纏繞裝配，提高了飛輪的整體強度以及材料的利用率［7］。

北京航空航天大學(xué)用于姿態(tài)控制和能量存儲的飛輪儲能系統(tǒng)，采用三環(huán)交接的高速碳纖維轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，設(shè)計的運行轉(zhuǎn)速為50000r／min，儲能密度高達36.1W·h／kg［8］。

2008年6月，清華大學(xué)工程物理系儲能飛輪實驗室，對復(fù)合材料環(huán)向纏繞的高儲能密度飛輪轉(zhuǎn)子進行強度試驗，達到實驗極限轉(zhuǎn)速為54300r／min，輪緣線速度為796m／s，儲能密度為48W·h／kg［9］。

3.2 車載飛輪儲能支撐裝置的研究現(xiàn)狀

3.2.1 減小陀螺效應(yīng)的研究措施

針對飛輪電池高速運轉(zhuǎn)下陀螺效應(yīng)問題，國內(nèi)外學(xué)者提出了微分交叉反饋解耦控制、比例交叉反饋補償控制等方法有效地抑制飛輪陀螺效應(yīng)問題。參考文獻［10］提出了一種三軸正交支撐系統(tǒng)，飛輪與支撐環(huán)架構(gòu)成了三自由度系統(tǒng)，使飛輪電池能在以支撐環(huán)架中心為圓心的球面內(nèi)做相對運動，以消除汽車非直線運動時產(chǎn)生的陀螺力矩，非常適合在電動汽車中應(yīng)用。

為保證飛輪電池的安全運行，在設(shè)計車載飛輪儲能系統(tǒng)時，常根據(jù)汽車經(jīng)常行駛時的振動特性來合理確定飛輪轉(zhuǎn)子和軸承的安放位置。對于行駛條件是迂回曲折道路的車輛，應(yīng)盡量避免飛輪軸與地面平行的安置方式；對于行駛條件是起伏不平道路的車輛，應(yīng)盡量避免采用飛輪軸與地面垂直的安置方式。

3.2.2 車載飛輪電池的軸承技術(shù)現(xiàn)狀

美國TSI公司研制的基于真空罩的超低損耗機械軸承，摩擦系數(shù)只有0.00001［11］。

韓國電力公司研究所開發(fā)的35kW·h的超導(dǎo)飛輪儲能系統(tǒng)采用由1個高溫超導(dǎo)磁軸承，1個角接觸球軸承和1個主動電磁阻尼器組成的徑向混合軸承套，飛輪最大運行速度為12000r／min。

［12］以城市輕軌剎車動能再生為背景，研制的20kW／1kW·h的飛輪儲能系統(tǒng)采用永磁軸承，卸載約80%的轉(zhuǎn)子重量，大幅度降低摩擦損耗，徑向采用滾珠軸承，飛輪設(shè)計工轉(zhuǎn)為13500～27000r／min。參考文獻［13］采用機械軸承與永磁軸承相結(jié)合的支撐形式，省去復(fù)雜的電磁軸承以及相關(guān)控制部分，飛輪材料為普通碳鋼，可實現(xiàn)飛輪在較高轉(zhuǎn)速30000r／min下的穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)，飛輪的效率為85%～95%。

3.3 電動／發(fā)電機技術(shù)現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外研究較多的電機為永磁無刷電機。從減小電機損耗和提高電機效率出發(fā)，參考文獻［14］設(shè)計了用于飛輪儲能系統(tǒng)的高速永磁同步電機，電機功率為30kW，轉(zhuǎn)速為96000r／min。Sychrony公司可生產(chǎn)100kW，60000r／min和400 kW，20000r／min的磁懸浮高速永磁電動機和發(fā)電機［5］。

沈陽工業(yè)大學(xué)、南京航空航天大學(xué)及浙江大學(xué)合作，研制了磁懸浮軸承支撐的75kW，60000r／min高速永磁電動／發(fā)電機試驗樣機。

3.4 電力電子轉(zhuǎn)換技術(shù)現(xiàn)狀

參考文獻［15］針對電動汽車制動過程中能量損耗問題，采用AC-DC-AC的兩級拓撲結(jié)構(gòu)實現(xiàn)電動汽車交流電網(wǎng)、直流母線和飛輪儲能系統(tǒng)之間能量傳遞。

美國BeaconPower公司采用脈沖調(diào)制轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)從直流母線到三相變頻交流的雙向能量轉(zhuǎn)換，飛輪系統(tǒng)具有穩(wěn)速、恒壓功能。Maryland大學(xué)開發(fā)的“敏捷微處理器電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)”，當飛輪處于充電狀態(tài)時，其功能為電動機控制器，而飛輪處于放電狀態(tài)時，其功能為交流轉(zhuǎn)換器。

一些學(xué)者也提出將矩陣變換器、PWM變換器和三電平逆變器應(yīng)用于飛輪電池系統(tǒng)。

電力電子轉(zhuǎn)換裝置可以通過再生能量利用，有效地減小了汽車的摩擦損耗，提高汽車整體能量的利用率，增加汽車的行駛里程。研究顯示，埃德蒙頓巴士采用飛輪電池可以將每百公里的平均燃油消耗從141.746L降低到104.834L［16］。

參考文獻［17］的研究表明，一輛裝有3個飛輪電池裝置的卡車可以吸收30%的再生制動能量。

廣州地鐵4號線的制動能-飛輪儲能再生模型分析表明，一年可回收292萬kW·h［5］。

4 車載飛輪電池的關(guān)鍵技術(shù)展望

隨著當前電力電子、控制和材料等技術(shù)的快速發(fā)展，未來新一代的車載飛輪電池必將取代現(xiàn)在的車載飛輪電池。未來飛輪電池關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展方向及研究熱點如下：

a.飛輪轉(zhuǎn)子材料決定飛輪的儲能密度。芳綸纖維的理論能量密度可達306W·h／kg，由于技術(shù)原因，目前只能達到134W·h／kg，還有很大的潛力。因此開發(fā)新型轉(zhuǎn)子材料，改善飛輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，提高飛輪轉(zhuǎn)子的儲能密度已迫在眉睫。近年來出現(xiàn)的應(yīng)用三維編織技術(shù)制作飛輪轉(zhuǎn)子，可有效改善飛輪轉(zhuǎn)子的綜合力學(xué)性能，有望成為復(fù)合材料飛輪加工的主流。

b.尋求新的控制算法或研發(fā)新的轉(zhuǎn)子支撐裝置，既能簡化支撐系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，又能抑制轉(zhuǎn)子的振動，同時最小化飛輪轉(zhuǎn)子的陀螺效應(yīng)。

c.對電動／發(fā)電機來說，高轉(zhuǎn)速、低損耗和高效率是目前電機發(fā)展的重點。近年來興起的無軸承電機結(jié)合了磁軸承與電機的雙重優(yōu)點，在超高速旋轉(zhuǎn)方面具有較高的優(yōu)勢，是未來車載飛輪電池理想電機選擇之一。

d.電力電子轉(zhuǎn)換裝置與飛輪電池整體效率有很大關(guān)系。改善電力電子轉(zhuǎn)換裝置，提高其效率，有利于提高對車載飛輪電池整體效率，同時提高汽車剎車制動能量的利用。

5 結(jié)束語

當前世界性的能源和環(huán)境問題愈顯突出，汽車的使用是引起這些問題的重要因素之一。電動汽車被認為是高效且符合零排放標準的可用技術(shù)。當前，電力電子、控制和材料等技術(shù)的快速發(fā)展，為電動汽車的研發(fā)提供了有力的技術(shù)支撐。車載飛輪電池是一種新型“綠色電池”。隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，車載飛輪電池必將在電動汽車上獲得重大發(fā)展。

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