伍賽特

(上海汽車集團股份有限公司，上海 200438)

0 引言

汽車是現代社會的重要交通工具，提供了便捷、舒適的出行方式。隨著石油資源的日漸枯竭以及環(huán)境污染的日益加重，傳統(tǒng)的內燃機汽車的發(fā)展日漸式微，與此相對的，新能源汽車也應著時代的浪潮崛地而起。

通常意義上的新能源汽車可分為兩類:一類為替代燃料的內燃機汽車，通?？捎么碱惾剂咸娲停枚酌鸭吧锊裼吞娲裼?而另一類則為各種形式的電動汽車，傳統(tǒng)意義上的電動汽車可分為純電動汽車、燃料電池汽車，以及混合動力汽車等[1]。

1 飛輪電池及其特點

飛輪電池誕生于20世紀90年代，它直接采用物理方法儲存能量[2]，有別于傳統(tǒng)的化學能電池。它通常包括飛輪、軸承、動力軸、電動發(fā)電機、真空容器及電力電子設備。發(fā)電機與電動機均通過同一臺電動發(fā)電機來實現，并通過軸承與飛輪進行連接。

飛輪電池將外界輸送的電能通過電動機轉換為飛輪的動能，并進行儲備[3-4]。需要對外輸出電能時，則通過發(fā)電機將飛輪的動能轉換為電能。為了有效降低能量消耗，通常將飛輪電池的電動機及飛輪等構件均密封于真空容器中，并以此降低空氣阻力。

飛輪電池具備諸多顯著優(yōu)勢，已成為了電池行業(yè)的重要發(fā)展方向。相比于化學電池其優(yōu)勢在于：

(1)儲能密度大、瞬時功率高[5]。

(2)飛輪電池的充、放電實質上是將電能與飛輪機械功進行轉換，因此不存在過度充電及過度放電，也不會影響其儲能密度。

(3)飛輪電池充電時間比化學電池更短。

(4)飛輪電池使用壽命更長，通?？蛇_20年之久[6]。

(5)具備更高的能量轉換效率。

表1為飛輪電池與各儲能裝置的性能比較。

表1 儲能裝置性能比較

2 飛輪電池的儲能特點

當外部供能裝置通過電力電子設備為電動發(fā)電機供電時，電動發(fā)電機即作為電動機使用，其作用是為發(fā)電機工況運行，并通過電力電子為外部設備供電。飛輪可謂是整個飛輪電池的核心構件，整個裝置儲能受其限制。其能量儲備公式：

(1)

式中：E為飛輪可儲備的能量；j為飛輪的轉動慣量，與飛輪的形狀及質量密切相關；ω為飛輪轉動中的角速度。由式(1)可知，飛輪電池裝置的能量儲備由飛輪的質量、形狀及其轉速共同決定。因此，提升飛輪的轉速對飛輪電池儲備能量的提升具有顯著的效果。

3 飛輪電池的當前發(fā)展與技術現狀

3.1 技術現狀

飛輪電池近年來發(fā)展已較為成熟，其比能量及比功率明顯高于化學電池，已逐漸成為重點研究方向[7]。美國飛輪系統(tǒng)公司近年來已成功研制出以克萊斯勒LHS轎車作為原型車的新型飛輪電池轎車AFS20，該車型完全由飛輪電池供電，通過20節(jié)飛輪電池驅動，每節(jié)電池直徑可達230 mm，質量為13.64 kg，電池完成充電需要6 h，快速充電只需15 min，一次充電后的續(xù)航里程可達560 km，其原型LHS汽油車為520 km，加速性能也十分出色，從0 加速至96 km/h，僅需6.5 s，總壽命超過3.21×106km。

目前飛輪電池技術的進展主要基于三類技術的飛速發(fā)展：

(1)高能永磁及高溫超導技術的誕生；

(2)高強度纖維復合材料的問世；

(3)電力電子技術的飛速發(fā)展。

3.2 軸承技術

軸承技術為飛輪電池技術研究的關鍵。由于飛輪本體有著較高的轉動慣量，并且轉速較大，存在著明顯的陀螺效應以及過臨界問題，因此對其支承軸承有著較高要求[8]。

傳統(tǒng)的滾動軸承、流體動壓軸承較難實現高速重載并且摩擦損耗較低的要求。近年來高速發(fā)展的飛輪電池支承方式有超導磁懸浮、永磁懸浮及電磁懸浮[9]，以下分別對其進行分析。

3.2.1 超導磁懸浮軸承

超導磁懸浮軸承通常由永磁體及超導體構成，超導體通常采用高溫超導體。當超導體處于超導狀態(tài)時，會出現抗磁性及磁通釘扎性[10]，超導磁懸浮軸承通常利用抗磁性提供靜態(tài)磁懸浮力，并利用釘扎性提供穩(wěn)定力，以此實現飛輪的穩(wěn)定懸浮。此類功率大，并且在短飛輪系統(tǒng)通過繞其中軸旋轉并將動能進行儲存，如同一類動能電池，可有效取代傳統(tǒng)蓄電池。超導磁懸浮軸承由于并無直接性機械接觸，整個裝置的能耗較小。并且由于旋轉體為永磁材料，受到強度限制，其轉速無法過高，通常不超過30 000 r/min，由于裝置具備自穩(wěn)定性、能耗低、承載力高等優(yōu)勢，可采用超導磁懸浮軸承以提升整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性及儲能效率。

3.2.2 永磁懸浮軸承

永磁懸浮軸承通?？捎梢粚驍祵Υ怒h(huán)采用軸向或徑向排列方式而制成，并可加入軟磁材質。通過對排列形式的設計，利用磁環(huán)間的作用力，可用于徑向軸承。隨著近年來永磁材料領域的飛速進展，永磁懸浮軸承的承載能力有了顯著提升。但是僅采用永磁懸浮軸承難以實現穩(wěn)定懸浮，需在某一特定方向施加外力。如需使永磁體進行高速旋轉，需減少其徑向尺寸或者采用導磁鋼環(huán)替代永磁環(huán)[11]。

3.2.3 電磁懸浮軸承

電磁懸浮軸承可依據飛輪的位置來調節(jié)對轉子的電磁力，以此將飛輪固定在某一特定位置。電磁軸承可在徑向及軸向對主軸進行定位，并使得飛輪的穩(wěn)定性及安全性得以提升，采用電磁軸承后的一大優(yōu)勢是飛輪可以以超高速狀態(tài)運行，通?？蛇_到30 000～60 000 r/min。

機械軸承、超導磁懸浮軸承、永磁懸浮軸承、電磁懸浮軸承幾類方式各有特點，因此通常在實際使用過程中將其組合使用。

4 車用飛輪電池

飛輪電池充電速度較快、并且放電安全，更適用于混合動力汽車。在汽車正常行駛工況或制動工況下為飛輪電池充電。而飛輪電池則可在加速或爬坡時為汽車提供額外的驅動力，以保證車輛的動力性能，并以此減少燃料消耗、排放污染及振動噪聲，還可以延長發(fā)動機的壽命。

飛輪電池的比能量通常為鎳氫電池的2～3倍，并且高于一般蓄電池及內燃機，其快速充電模式可在18 min內完成并且具備較長的能量儲存時間。除此之外，飛輪電池可進行超快速充電，并且沒有化學電池的壽命衰減問題，使用壽命顯著優(yōu)于各類化學蓄電池。飛輪自身為純機械構件，不會對大氣造成污染，并且不存在化學反應過程，并不會像化學蓄電池一般引起腐蝕現象，并且無廢料回收之余。

相比于傳統(tǒng)內燃機汽車，混合動力汽車由于采用了蓄電池及電動機，可避免在其行駛過程中出現大馬拉小車的現象，以此提升整車的效率。隨著磁懸浮技術的不斷發(fā)展，飛輪充、放電次數會遠多于整車的動力需求。飛輪在充、放電時化學能與機械能之間存在相互轉換，其放電功率亦可大可小，并不會影響電池耐久性[12]。

飛輪系統(tǒng)自身響應性也較為出色，可在短時間內由靜止狀態(tài)加速至每分鐘數萬轉的轉速。通常在飛輪電池技術中，可決定功率輸入及輸出的部件是電力電子設備，與外部負載并無直接關系，因此還可通過控制飛輪轉速來限制飛輪的充電[13-15]。

5 飛輪電池目前尚未得以大規(guī)模應用的原因

飛輪電池目前并未得以大規(guī)模應用主要出于：

(1)飛輪自身能耗源于空氣阻力及軸承摩擦。

(2)制造飛輪的材料通常為鋼或鑄鐵，儲能較為有限。

(3)系統(tǒng)對電能與機械能進行相互轉換，對電力電子裝置的要求較高。

就當前技術水平而言，飛輪電池電動汽車尚無法大規(guī)模使用，根據飛輪電池自身的特點，它更適用于混合動力汽車技術。

6 結論及展望

目前飛輪電池盡管具備儲能密度大、瞬時功率高、使用壽命長、能量轉換效率高、不存在過度充放電等顯著優(yōu)勢，但由于軸承技術、儲能功率有限等問題尚未得以大規(guī)模推廣，但仍是一類充滿前景的汽車動力裝置。隨著石油資源及環(huán)境保護問題的日益嚴重，飛輪電池必將在汽車動力裝置中占有一席之地。