車(chē)載飛輪電池的關(guān)鍵技術(shù)分析及其研究現(xiàn)狀

周紅凱，謝振宇，王 曉

（南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016）

0 引言

當(dāng)前，我國(guó)汽車(chē)保有量已超過(guò)1億輛，而汽車(chē)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(dòng)汽車(chē)是目前可行的解決方式。車(chē)載動(dòng)力電池是電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力源泉，是制約電動(dòng)汽車(chē)廣泛應(yīng)用的主要因素之一。目前，研究較多的車(chē)載動(dòng)力電池包括化學(xué)蓄電池、燃料電池、太陽(yáng)能電池、超級(jí)電容器和車(chē)載飛輪電池等。飛輪電池又稱機(jī)械電池，它利用飛輪高速旋轉(zhuǎn)存儲(chǔ)能量。與其他車(chē)載動(dòng)力電池相比，飛輪電池具有比能量大、比功率高、使用壽命長(zhǎng)、充電時(shí)間短、無(wú)環(huán)境污染和效率高等優(yōu)點(diǎn)，存儲(chǔ)1kW·h能量成本僅為超級(jí)電容器的1／20［1］。先進(jìn)飛輪電池［2-4］的比能量可達(dá)150W·h／kg，比功率為5～10kW／kg，遠(yuǎn)高于一般的化學(xué)電池。在儲(chǔ)能一定的情況下，其質(zhì)量比超級(jí)電容更輕、體積更小，更加有利于車(chē)載布置及安裝。

1 車(chē)載飛輪電池的工作原理

一種典型的車(chē)載飛輪電池的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 車(chē)載飛輪電池的結(jié)構(gòu)

車(chē)載飛輪電池儲(chǔ)能系統(tǒng)能量流動(dòng)如圖2所示。車(chē)載飛輪電池一般有3種運(yùn)行狀態(tài)：充電狀態(tài)、保持狀態(tài)和放電狀態(tài)。當(dāng)汽車(chē)停止時(shí)，飛輪處于保持狀態(tài)，電動(dòng)／發(fā)動(dòng)機(jī)處于空載狀態(tài)；當(dāng)汽車(chē)行駛或爬坡時(shí)，電動(dòng)／發(fā)電機(jī)處于發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，將轉(zhuǎn)子的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能輸出；當(dāng)汽車(chē)夜間充電時(shí)，電動(dòng)發(fā)電機(jī)處于電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，將外部電能轉(zhuǎn)換為飛輪轉(zhuǎn)子的動(dòng)能儲(chǔ)存起來(lái)。另外，當(dāng)汽車(chē)下坡或制動(dòng)時(shí)，電動(dòng)／發(fā)電機(jī)和電力電子轉(zhuǎn)換裝置可將汽車(chē)部分動(dòng)能轉(zhuǎn)換為飛輪轉(zhuǎn)子的動(dòng)能。

圖2 車(chē)載飛輪電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量流動(dòng)

2 車(chē)載飛輪電池的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 飛輪的能量存儲(chǔ)

在設(shè)計(jì)車(chē)載飛輪電池時(shí)，為減小汽車(chē)整體重量，通常在滿足高儲(chǔ)能量情況下，以體積和質(zhì)量最小化作為優(yōu)化目標(biāo)。飛輪存儲(chǔ)的能量為：

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

由式（1）可知，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和轉(zhuǎn)速?zèng)Q定了飛輪的儲(chǔ)能量。提高飛輪的儲(chǔ)能量有2個(gè)途徑：一是增加飛輪的輪緣質(zhì)量以增大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，二是提高飛輪的轉(zhuǎn)速。對(duì)車(chē)載飛輪電池來(lái)說(shuō)，受汽車(chē)整體體積和重量的限制，不適合以提高飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量來(lái)提高飛輪存儲(chǔ)能量；而提高飛輪轉(zhuǎn)速必須要克服飛輪輪緣材料強(qiáng)度約束、軸承發(fā)熱及摩擦阻力等技術(shù)問(wèn)題。

由式（2）可知，常選用抗拉強(qiáng)度高、密度小的材料來(lái)制作飛輪轉(zhuǎn)子，以提高飛輪儲(chǔ)能密度。受先進(jìn)高強(qiáng)纖維的高技術(shù)貿(mào)易壁壘所限，國(guó)內(nèi)飛輪儲(chǔ)能密度的目標(biāo)是60～80W·h／kg［5］。

由于高轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的飛輪，其陀螺效應(yīng)問(wèn)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(yùn)動(dòng)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(duì)較低，存在摩擦損耗大、儲(chǔ)能密度低、儲(chǔ)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(yán)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(chǔ)能系統(tǒng)的性能，飛輪轉(zhuǎn)子常采用高強(qiáng)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(chǔ)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(qiáng)度等特點(diǎn)，由復(fù)合材料制成的飛輪轉(zhuǎn)子線速度達(dá)1km／s以上，且存儲(chǔ)相同能量的復(fù)合材料飛輪幾乎要比剛質(zhì)飛輪輕1個(gè)數(shù)量級(jí)。

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(shí)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(hù)方面，復(fù)合材料制成的飛輪在發(fā)生破裂時(shí)，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(qiáng)度不僅與材料強(qiáng)度有關(guān)，也與飛輪的制造方法有關(guān)。由于高強(qiáng)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(qiáng)度低而發(fā)生層間脫裂，為使復(fù)合材料飛輪儲(chǔ)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(chǔ)能密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單環(huán)飛輪轉(zhuǎn)子的儲(chǔ)能密度，且多層復(fù)合材料飛輪采用過(guò)盈配合，可提高轉(zhuǎn)子的極限角速度，增加儲(chǔ)能量，減少了轉(zhuǎn)子重量。

2.3 支撐裝置

2.3.1 車(chē)載飛輪電池的振動(dòng)

汽車(chē)在行駛時(shí)，汽車(chē)振動(dòng)影響車(chē)載飛輪電池的穩(wěn)定運(yùn)行。考慮車(chē)身質(zhì)心比車(chē)身其他地方振動(dòng)相對(duì)較小，因此，常將飛輪電池加載在汽車(chē)車(chē)身質(zhì)心上。

由于加工誤差使飛輪轉(zhuǎn)子存在不平衡量，當(dāng)飛輪超高速旋轉(zhuǎn)時(shí)引起飛輪振動(dòng)，同時(shí)飛輪轉(zhuǎn)子在臨界轉(zhuǎn)速附近運(yùn)行時(shí)振動(dòng)較大。在車(chē)載飛輪電池的振動(dòng)工程中，針對(duì)以上振動(dòng)的減振措施為：轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡、快速越過(guò)臨界轉(zhuǎn)速和添加阻尼器等方法。由于汽車(chē)振動(dòng)是多個(gè)自由度的振動(dòng)，磁懸浮轉(zhuǎn)子也將產(chǎn)生多個(gè)自由度的振動(dòng)。而轉(zhuǎn)子的振動(dòng)激勵(lì)來(lái)源于定子，汽車(chē)振動(dòng)將激勵(lì)傳于定子，定子發(fā)生振動(dòng)，影響轉(zhuǎn)子振動(dòng)。

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(jī)械軸承和磁懸浮軸承。

機(jī)械軸承支撐剛度大，存在極限轉(zhuǎn)速低和摩擦發(fā)熱嚴(yán)重等問(wèn)題。目前，機(jī)械軸承更多地用于保護(hù)軸承，對(duì)磁軸承起保護(hù)作用。

磁懸浮軸承具有高轉(zhuǎn)速、無(wú)接觸磨損和使用壽命長(zhǎng)等特性。但磁軸承的支撐剛度比機(jī)械軸承低1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)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(dòng)磁懸浮軸承，其突出優(yōu)點(diǎn)在于可對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行主動(dòng)控制，實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)子的狀態(tài)，抑制轉(zhuǎn)子振動(dòng)，使轉(zhuǎn)子穩(wěn)定運(yùn)行。電磁軸承主要缺點(diǎn)是其電磁損耗大，目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)主動(dòng)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(shí)現(xiàn)飛輪電池轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定懸浮，無(wú)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(yùn)行在低溫下，要求恒溫冷卻系統(tǒng)，所以整體費(fèi)用高。高溫超導(dǎo)磁軸承摩擦系數(shù)可達(dá)到3×10-7。

根據(jù)Earnshow著名理論，單靠永磁軸承不可能實(shí)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(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低成本，還能提高系統(tǒng)儲(chǔ)能效率。

永磁磁懸浮軸承和超導(dǎo)磁懸浮軸承均為全被動(dòng)磁軸承，目前以兩者組合而成的全被動(dòng)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(jià)過(guò)高，還有待更深的研究。

2.4 電動(dòng)／發(fā)電機(jī)

2.4.1 感應(yīng)電機(jī)

感應(yīng)電機(jī)是較早用于飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中的一種電機(jī)。感應(yīng)電機(jī)調(diào)速控制技術(shù)比較成熟，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、成本低、運(yùn)行可靠、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小、噪聲低、轉(zhuǎn)速極限高和無(wú)位置傳感器等優(yōu)點(diǎn)。但感應(yīng)電機(jī)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(dòng)和加減速的車(chē)載飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中。

2.4.2 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)（SRM）的突出優(yōu)點(diǎn)為可在較寬轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)高效運(yùn)行，控制靈活，可四象限運(yùn)行，響應(yīng)速度快和成本低。實(shí)際應(yīng)用表明，SRM存在著轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和噪聲大、電磁性能較差及需要位置檢測(cè)器等缺點(diǎn)。近年來(lái)，一些學(xué)者將軸向疊片各向異性轉(zhuǎn)子應(yīng)用于開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)中，使電機(jī)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(wú)刷電機(jī)

永磁無(wú)刷直流電機(jī)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(méi)有能耗損耗，且可使電動(dòng)／發(fā)電機(jī)的體積和重量大大減小。永磁同步電動(dòng)機(jī)具有效率高，電機(jī)的轉(zhuǎn)速容易控制等優(yōu)點(diǎn)。永磁電機(jī)在各種運(yùn)行條件下都有較高效率，轉(zhuǎn)速高達(dá)200000r／min。

2.5 電力電子轉(zhuǎn)換裝置

在電機(jī)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(dòng)能轉(zhuǎn)換的橋梁，是控制整個(gè)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(chǔ)能裝置外界負(fù)載的性質(zhì)無(wú)關(guān)。電力變換器是通過(guò)控制電動(dòng)／發(fā)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)電能與機(jī)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(gè)：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(duì)系統(tǒng)效率起主要的決定作用，目前國(guó)際上真空度一般可達(dá)10-5Pa量級(jí)。

英國(guó)研究人員用低速運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)證實(shí)：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?yàn)橄”怏w環(huán)境散熱功能減弱，飛輪本體溫升較高。

3 國(guó)內(nèi)外車(chē)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(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)20MW的安裝運(yùn)營(yíng)，采用世界上最先進(jìn)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(guó)波音公司設(shè)計(jì)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(qiáng)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(chǔ)的飛輪儲(chǔ)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(jì)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速為50000r／min，儲(chǔ)能密度高達(dá)36.1W·h／kg［8］。

2008年6月，清華大學(xué)工程物理系儲(chǔ)能飛輪實(shí)驗(yàn)室，對(duì)復(fù)合材料環(huán)向纏繞的高儲(chǔ)能密度飛輪轉(zhuǎn)子進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，達(dá)到實(shí)驗(yàn)極限轉(zhuǎn)速為54300r／min，輪緣線速度為796m／s，儲(chǔ)能密度為48W·h／kg［9］。

3.2 車(chē)載飛輪儲(chǔ)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(duì)飛輪電池高速運(yùn)轉(zhuǎn)下陀螺效應(yīng)問(wèn)題，國(guó)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(bǔ)償控制等方法有效地抑制飛輪陀螺效應(yīng)問(wèn)題。參考文獻(xiàn)［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(duì)運(yùn)動(dòng)，以消除汽車(chē)非直線運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的陀螺力矩，非常適合在電動(dòng)汽車(chē)中應(yīng)用。

為保證飛輪電池的安全運(yùn)行，在設(shè)計(jì)車(chē)載飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí)，常根據(jù)汽車(chē)經(jīng)常行駛時(shí)的振動(dòng)特性來(lái)合理確定飛輪轉(zhuǎn)子和軸承的安放位置。對(duì)于行駛條件是迂回曲折道路的車(chē)輛，應(yīng)盡量避免飛輪軸與地面平行的安置方式；對(duì)于行駛條件是起伏不平道路的車(chē)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(chē)載飛輪電池的軸承技術(shù)現(xiàn)狀

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

韓國(guó)電力公司研究所開(kāi)發(fā)的35kW·h的超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)采用由1個(gè)高溫超導(dǎo)磁軸承，1個(gè)角接觸球軸承和1個(gè)主動(dòng)電磁阻尼器組成的徑向混合軸承套，飛輪最大運(yùn)行速度為12000r／min。

［12］以城市輕軌剎車(chē)動(dòng)能再生為背景，研制的20kW／1kW·h的飛輪儲(chǔ)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(jì)工轉(zhuǎn)為13500～27000r／min。參考文獻(xiàn)［13］采用機(jī)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(shí)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(dòng)／發(fā)電機(jī)技術(shù)現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)外研究較多的電機(jī)為永磁無(wú)刷電機(jī)。從減小電機(jī)損耗和提高電機(jī)效率出發(fā)，參考文獻(xiàn)［14］設(shè)計(jì)了用于飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的高速永磁同步電機(jī)，電機(jī)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(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)［5］。

沈陽(yáng)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(dòng)／發(fā)電機(jī)試驗(yàn)樣機(jī)。

3.4 電力電子轉(zhuǎn)換技術(shù)現(xiàn)狀

參考文獻(xiàn)［15］針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)制動(dòng)過(guò)程中能量損耗問(wèn)題，采用AC-DC-AC的兩級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)交流電網(wǎng)、直流母線和飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)之間能量傳遞。

美國(guó)BeaconPower公司采用脈沖調(diào)制轉(zhuǎn)換器，實(shí)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(kāi)發(fā)的“敏捷微處理器電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)”，當(dāng)飛輪處于充電狀態(tài)時(shí)，其功能為電動(dòng)機(jī)控制器，而飛輪處于放電狀態(tài)時(shí)，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(guò)再生能量利用，有效地減小了汽車(chē)的摩擦損耗，提高汽車(chē)整體能量的利用率，增加汽車(chē)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(xiàn)［17］的研究表明，一輛裝有3個(gè)飛輪電池裝置的卡車(chē)可以吸收30%的再生制動(dòng)能量。

廣州地鐵4號(hào)線的制動(dòng)能-飛輪儲(chǔ)能再生模型分析表明，一年可回收292萬(wàn)kW·h［5］。

4 車(chē)載飛輪電池的關(guān)鍵技術(shù)展望

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

a.飛輪轉(zhuǎn)子材料決定飛輪的儲(chǔ)能密度。芳綸纖維的理論能量密度可達(dá)306W·h／kg，由于技術(shù)原因，目前只能達(dá)到134W·h／kg，還有很大的潛力。因此開(kāi)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(chǔ)能密度已迫在眉睫。近年來(lái)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(jiǎn)化支撐系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，又能抑制轉(zhuǎn)子的振動(dòng)，同時(shí)最小化飛輪轉(zhuǎn)子的陀螺效應(yīng)。

c.對(duì)電動(dòng)／發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，高轉(zhuǎn)速、低損耗和高效率是目前電機(jī)發(fā)展的重點(diǎn)。近年來(lái)興起的無(wú)軸承電機(jī)結(jié)合了磁軸承與電機(jī)的雙重優(yōu)點(diǎn)，在超高速旋轉(zhuǎn)方面具有較高的優(yōu)勢(shì)，是未來(lái)車(chē)載飛輪電池理想電機(jī)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(duì)車(chē)載飛輪電池整體效率，同時(shí)提高汽車(chē)剎車(chē)制動(dòng)能量的利用。

5 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前世界性的能源和環(huán)境問(wèn)題愈顯突出，汽車(chē)的使用是引起這些問(wèn)題的重要因素之一。電動(dòng)汽車(chē)被認(rèn)為是高效且符合零排放標(biāo)準(zhǔn)的可用技術(shù)。當(dāng)前，電力電子、控制和材料等技術(shù)的快速發(fā)展，為電動(dòng)汽車(chē)的研發(fā)提供了有力的技術(shù)支撐。車(chē)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(chē)載飛輪電池必將在電動(dòng)汽車(chē)上獲得重大發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

［1］Hadjipaschalis I，Poullikkas A，Efthimiou V.Overview of current and future energy storage technologies for electric power applications［J］.Renewable and Sustainable Energy Reviews，2009，13（6-7）：1513-1522.

［2］Kohari Z，Vajda I.Losses of flywheel energy storages and joint operation with solar cells［J］.Journal of Materials Processing Technology，2005，161（1）：62-65.

［3］Kenzo Nonami，Budi Rachmanto，Kenta Kuriyama，et al.AMB flwheel-powered electric vehicle［C］.Proceedings of the 11th International Symposium on Magnetic Bearing，2009.

［4］Tarrant C.Flywheel assembly［EB／OL］.http：／／www.patenless.net／patentlens／patent／US＿2012＿0031224＿A1／en／，2012-02-09.

［5］戴興建，鄧占峰，劉 剛，等，大容量先進(jìn)飛輪儲(chǔ)能電源技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，26 （7）：133-140.

［6］王江波，趙國(guó)亮，蔣曉春，等.飛輪儲(chǔ)能技術(shù)在電網(wǎng)中的應(yīng)用綜述［J］.電力電子技術(shù)，2013，47（7）：28-30.

［7］Strasik M，Hull J R，Mittleider J A，et al.An overview of Boeing flywheel energy storage systems with hightemperature superconducting bearings［J］.Superconductor Science and Technology，2010，23（3）：21-23.

［8］Tang J，Zhang Y.High-speed carbon fiber rotor for superconducting attitude control and energy storage flywheel［C］.2012Third International Conference on Digital Manufacturing and Automation （ICDMA），2012.477-481.

［9］秦 勇，夏源明.復(fù)合材料飛輪結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度設(shè)計(jì)研究進(jìn)展［J］.兵工學(xué)報(bào)，2006，27（4）：750-756.

［10］張文治.混合動(dòng)力汽車(chē)復(fù)合飛輪電池［P］.中國(guó)專利：200720089104，2008-01-02.

［11］王 健，戴興建，李奕良.飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)軸承技術(shù)研究新進(jìn)展［J］.機(jī)械工程師，2008，（4）：71-73.

［12］唐長(zhǎng)亮，戴興建，王 健，等.20kW／1kWh飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)軸系動(dòng)力學(xué)分析與試驗(yàn)研究［J］.振動(dòng)與沖擊，2013，32（1）：38-42.

［13］徐 江，吳 峰.磁懸浮飛輪儲(chǔ)能裝置的設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械制造，2012，50（8）：38-40.

［14］Kou B，Cao H，Zhang D，et al.Structural optimization of high speed permanent magnet synchronous motor for flywheel energy storage［C］.201216th International Symposium on Electromagnetic Launch Technology（EML），2012.1-7.

［15］滿永奎，李五一，唐 巍.PLC控制的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)［J］.控制工程，2009，16（S1）：145-147.

［16］Xiaomin L，Iyer K L，Mukherjee K，et al.Study of permanent magnet machine based flywheel energy storage system for peaking power series hybrid vehicle control strategy［C］.Transportation Electrification Conference and Expo（ITEC），2013.1-7.

［17］Hebner R，Beno J，Walls A.Flywheel batteries come around again［J］.IEEE Spectrum，2002，39（4）：46-51.