基于磁懸浮電機的飛輪電池系統研究

蘇伯凱

摘 要：為提高電動汽車動力電池性能，在其基礎上增加一個飛輪電池作為輔助電源，可以極大地提高動力電池的充放電特性以及壽命等性能。傳統的機械軸承支撐滿足不了飛輪的高速運轉，而采用磁懸浮電機的飛輪電池系統，實現了飛輪能量轉換與懸浮支撐的集成化與一體化，既可以實現飛輪電池機械能與電能的轉換，又能實現飛輪的穩定支撐。

關鍵詞：電動汽車;飛輪電池;磁懸浮電機

中圖分類號：TM341;TM351文獻標識碼：A文章編號：1674-1064（2021）03-001-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.03.001

1 背景介紹

隨著石油能源枯竭以及全球環境的惡化，電動汽車應運而生并于近年來在全球發展迅猛。據相關數據統計：2020年全球電動汽車銷量約為310萬輛，預計到2030年，電動汽車銷量將與傳統燃油車銷量持平[1]。然而，由于電動汽車動力電池關鍵技術如電池壽命、電池容量、電池安全等還未完全攻克，所以在極大程度上制約了新能源汽車行業的發展。

針對電動汽車動力電池，在其基礎上增加一個輔助電源協助動力電池充放電，可以在不影響電動汽車性能的前提下減小動力電池的充放電電流;可實現電動汽車的制動能量回收，可有效延長動力電池壽命，并在一定程度上提高動力電池容量。傳統的輔助電源一般為超級電容[2]，但是其能量密度較低、壽命短。飛輪電池是利用高速電機帶動飛輪加減速旋轉，以實現電能與機械能相互轉換的裝置，是一種采用物理方法儲能的新概念電池。其具有能量密度大、充放電效率高、環境友好等優點，可以極大地提高電動汽車的加速性能和續駛里程，是輔助電源的最佳選擇之一[3]。然而，傳統飛輪電池一般采用機械軸承支撐飛輪，機械支撐方式限制了飛輪的運轉速度。而采用基于磁懸浮電機的飛輪電池系統，使用非機械接觸的磁力支撐方式，可極大地提高飛輪轉速，充分發揮機械式儲能的優勢[4]。

2 飛輪電池系統工作原理

飛輪電池作為輔助電源與電動汽車的動力電池相互配合，可以大大提高車輛的性能，其工作原理如圖1所示。飛輪電池與動力電池并聯連接，共同作為驅動電機的電源：當電動汽車動力電池容量充足或處在能量回收工況時，回收的能量通過飛輪電機驅動飛輪高速運轉，將電能轉變為機械能存儲在飛輪中，同時分擔了過大的充電電流。當電動汽車處在加速或上坡等大負荷工況時，飛輪電池的機械能通過發電機轉換為電能，協助動力電池向驅動電機供電。通過飛輪電池的輔助，動力電池的充放電特性得到了改善，容量得到提升，同時增強了電動汽車的加速性能。

3 基于磁懸浮電機的飛輪電池系統結構

3.1 磁懸浮電機

磁懸浮電機是近年來出現的一類新型結構的電機，其中的永磁同步磁懸浮電機應用較為廣泛。其結合了磁軸承與電機的功能，通過定子特定的繞組布置方式，使電機轉子既能產生電磁轉矩驅動飛輪運轉，也能產生沿徑向的麥克斯韋力（以下稱懸浮力）使轉子在電機內部懸浮[5]。永磁同步磁懸浮電機定子繞組結構示意圖如圖2所示，其中，A、B、C相繞組為產生電磁轉矩的轉矩繞組，X、Y、Z相繞組為產生懸浮力的懸浮繞組，且兩類繞組應滿足以下公式：

（1）

式中：Ns為懸浮繞組的極對數，Nt為轉矩繞組的極對數;ωs為懸浮繞組電流頻率，ωt為懸浮繞組電流頻率。

3.2 基于磁懸浮電機的飛輪電池結構

（a）傳統飛輪電池結構

（b）基于磁懸浮電機的飛輪電池

圖3（a）所示為傳統的飛輪電池結構示意圖。飛輪在徑向上由兩組徑向磁軸承支撐，在軸向上通過一組軸向磁軸承支撐，飛輪的能量轉換通過永磁同步電機實現，整體結構處于真空密閉殼體中以減少阻力。這種布置結構雖然簡單，但是飛輪的轉速受到永磁電機轉速的限制，因此這種結構的飛輪電池所能儲存的能量有限。圖3（b）所示為基于磁懸浮電機的飛輪電池，該結構是將傳統飛輪電池結構中的永磁同步電機替換為磁懸浮電機，構成了基于磁懸浮電機的飛輪電池系統。該飛輪電池集成結構充分發揮了磁懸浮電機在高速運行、磁力支撐的優勢，發揮了永磁電機的高效率與高功率的優勢，實現了飛輪電池能量轉換與磁力支撐的集成化與一體化，可以極大地提高飛輪的運轉速度。

4 結語

與傳統電池相比，飛輪電池具有無可比擬的優點，也符合未來能源戰略發展的方向，非常具有研究意義。作為電動汽車的輔助電源，可以極大地提高其整體性能，然而龐大的結構以及高昂的成本限制了飛輪電池的發展。采用基于磁懸浮電機的飛輪電池，既可以縮小飛輪電池的結構尺寸，降低其成本，也能提高飛輪電池的容量。目前，基于磁懸浮電機的飛輪電池正向著高速化、小型化、低成本化的方向發展，在電動汽車、航空航天、不間斷電源等領域有著廣闊的發展前景。

參考文獻

[1] 曠水章，匡增，彧王虎.新能源汽車技術發展現狀和趨勢[J].內燃機與配件，2020（22）：188-189.

[2 曹秉剛，曹建波，李軍偉，等.超級電容在電動車中的應用研究[J].西安交通大學學報，2008，42（11）：32-34.

[3] 劉春娜.飛輪儲能電池應用展望[J].電源技術，2013（11）：1897-1898.

[4] X.Sun，L.Chen，Z.Yang.Overview of bearingless permanent-magnet synchronous motors[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2013，60（12）：5528-5538.

[5] 鄧智泉，仇志堅，王曉琳，等.無軸承永磁同步電機的轉子磁場定向控制研究[J].中國電機工程學報，2005，25（1）：107-111.