飛輪電池應用于汽車動力裝置的技術現狀與前景展望

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境污染的日益加重，傳統的內燃機汽車的發展日漸式微，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，通常可用醇類燃料替代汽油，用二甲醚及生物柴油替代柴油;而另一類則為各種形式的電動汽車，傳統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]，有別于傳統的化學能電池。它通常包括飛輪、軸承、動力軸、電動發電機、真空容器及電力電子設備。發電機與電動機均通過同一臺電動發電機來實現，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勢，已成為了電池行業的重要發展方向。相比于化學電池其優勢在于：

(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，通常可達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電機供電時，電動發電機即作為電動機使用，其作用是為發電機工況運行，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 飛輪電池的當前發展與技術現狀

3.1 技術現狀

飛輪電池近年來發展已較為成熟，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節飛輪電池驅動，每節電池直徑可達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磁懸浮力，并利用釘扎性提供穩定力，以此實現飛輪的穩定懸浮。此類功率大，并且在短飛輪系統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，由于裝置具備自穩定性、能耗低、承載力高等優勢，可采用超導磁懸浮軸承以提升整個系統的穩定性及儲能效率。

3.2.2 永磁懸浮軸承

永磁懸浮軸承通常可由一對或數對磁環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替代永磁環[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，并使得飛輪的穩定性及安全性得以提升，采用電磁軸承后的一大優勢是飛輪可以以超高速狀態運行，通常可達到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]。

飛輪系統自身響應性也較為出色，可在短時間內由靜止狀態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模應用的原因

飛輪電池目前并未得以大規模應用主要出于：

(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勢，但由于軸承技術、儲能功率有限等問題尚未得以大規模推廣，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。