車(chē)載飛輪電池及其關(guān)鍵技術(shù)研究

摘要：高效的能源存儲(chǔ)是低碳交通的關(guān)鍵。飛輪電池以其儲(chǔ)能密度高、充電快、無(wú)污染、無(wú)噪聲、環(huán)境適應(yīng)性能好等優(yōu)點(diǎn)成為混合動(dòng)力汽車(chē)和零排放電動(dòng)汽車(chē)最有前途的動(dòng)力電池之一。但由于車(chē)載飛輪電池工作壞境的特殊性，復(fù)雜工況易導(dǎo)致飛輪轉(zhuǎn)子失穩(wěn)、陀螺效應(yīng)加劇，使得磁軸承的設(shè)計(jì)成為一項(xiàng)復(fù)雜而又關(guān)鍵的工作。本文從提高車(chē)載飛輪電池系統(tǒng)的穩(wěn)定性、降低車(chē)載飛輪電池系統(tǒng)的損耗的角度出發(fā)，分析了車(chē)載飛輪電池的關(guān)鍵技術(shù)，尤其是磁軸承技術(shù)進(jìn)行了較為詳細(xì)的闡述。最后根據(jù)飛輪電池技術(shù)的不足指出未來(lái)發(fā)展方向。?

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車(chē);飛輪電池;關(guān)鍵技術(shù);發(fā)展趨勢(shì)

0 引言

2015年12月12日，巴黎氣候變化大會(huì)上發(fā)布《巴黎協(xié)定》對(duì)2020年后全球如何應(yīng)對(duì)氣候變化做出了安排。為了響應(yīng)該協(xié)定，有必要減少燃燒化石燃料所產(chǎn)生的溫室氣體排放。放棄以化石燃料為基礎(chǔ)的交通工具，代之以清潔的電動(dòng)交通工具，被視為邁向脫碳的關(guān)鍵步驟之一。

動(dòng)力電池作為電動(dòng)汽車(chē)的核心部件，其好壞直接影響整車(chē)的動(dòng)力性能和續(xù)航能力，甚至決定了汽車(chē)的壽命[1-2]。電動(dòng)汽車(chē)廣泛采用蓄電池作為動(dòng)力電池，經(jīng)歷了鉛酸電池，堿性電池和燃料電池的技術(shù)更迭與發(fā)展，但仍存在續(xù)航里程低、能量損耗大等技術(shù)問(wèn)題。另外，電動(dòng)汽車(chē)在運(yùn)行狀況（平穩(wěn)運(yùn)行、啟動(dòng)、制動(dòng)、轉(zhuǎn)彎、加減速、上下坡）改變時(shí)，蓄電池?zé)o法滿足電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)比功率和比能量的雙重需求，同時(shí)，蓄電池還需要進(jìn)行大電流充放電來(lái)應(yīng)對(duì)復(fù)雜的工況，蓄電池也會(huì)由此受到損害，縮短其使用壽命。因此，研制一款克服蓄電池缺點(diǎn)的動(dòng)力電池，是電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展中亟需解決的重要問(wèn)題。在此背景下，一款比能量大、功率高、能量轉(zhuǎn)換率高、使用壽命長(zhǎng)的飛輪電池應(yīng)運(yùn)而生[3]。

本文首先介紹了車(chē)載飛輪電池在混合動(dòng)力汽車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)中運(yùn)用的工作原理，對(duì)車(chē)載應(yīng)用場(chǎng)合下的飛輪電池的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行總結(jié)。最后根據(jù)車(chē)載飛輪電池高穩(wěn)定性、低能耗、小型化、輕型化的發(fā)展要求，針對(duì)車(chē)載飛輪電池目前存在的不足，討論了未來(lái)車(chē)載飛輪電池的發(fā)展趨勢(shì)。

1 車(chē)載飛輪電池工作原理

經(jīng)典的飛輪電池機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子無(wú)接觸支承的磁懸浮系統(tǒng)（單個(gè)或多個(gè)磁軸承組成五自由度磁軸承系統(tǒng)）、集成驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)/電動(dòng)機(jī)、存儲(chǔ)能量的飛輪轉(zhuǎn)子、防止轉(zhuǎn)子碰撞損壞的保護(hù)軸承、降低風(fēng)阻損耗的真空室等部分組成。

飛輪電池有三種工作模式：

（1）“充電”模式

當(dāng)飛輪電池存儲(chǔ)能量時(shí)，在外電源的驅(qū)動(dòng)下，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，帶動(dòng)飛輪運(yùn)轉(zhuǎn)，飛輪轉(zhuǎn)速提升至電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，電能轉(zhuǎn)化為飛輪的機(jī)械能。在整個(gè)“充電”過(guò)程中，集成驅(qū)動(dòng)的電機(jī)作電動(dòng)機(jī)用。

（2）“放電”模式

當(dāng)飛輪電池釋放能量時(shí)，飛輪電池連接外部負(fù)載，飛輪依靠慣性帶動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，飛輪轉(zhuǎn)速逐漸降低，直至下降為最低轉(zhuǎn)速，飛輪的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。在整個(gè)“放電”過(guò)程中，集成驅(qū)動(dòng)的電機(jī)作發(fā)電機(jī)用。

（3）“保持”模式

飛輪轉(zhuǎn)速達(dá)到預(yù)定值，既不吸收能量，也不向外界釋放能量，理論上能量保持不變。

1.1電動(dòng)汽車(chē)

若飛輪電池單獨(dú)為電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)供能，考慮到車(chē)載場(chǎng)合對(duì)電池體積、重量限制，則需要超高速飛輪來(lái)滿足儲(chǔ)能量和功率的需求。但隨著轉(zhuǎn)速的增加，在離心力的作用下，飛輪的內(nèi)部應(yīng)力會(huì)持續(xù)增加。由于材料許用應(yīng)力的限制，飛輪轉(zhuǎn)速不可能無(wú)限升高并且?guī)?dòng)飛輪旋轉(zhuǎn)的的電機(jī)在非常高的轉(zhuǎn)速時(shí)易造成事故。因此，飛輪電池單獨(dú)完成車(chē)載儲(chǔ)能的任務(wù)暫時(shí)存在一定困難。將飛輪電池與原動(dòng)力電池組合在一起使用，相互避免不足并發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，來(lái)滿足混合動(dòng)力汽車(chē)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的需求。

1.2混合動(dòng)力汽車(chē)

飛輪電池作為一種輔助動(dòng)力系統(tǒng)，在混合動(dòng)力汽車(chē)啟動(dòng)、加速或爬坡時(shí)，能夠快速、大能量地放電，為主蓄電池提供輔助動(dòng)力，并減少主蓄電池的動(dòng)力輸出損耗，提高蓄電池循環(huán)使用壽命。在電動(dòng)汽車(chē)制動(dòng)、減速或下坡時(shí)，飛輪電池能快速儲(chǔ)存機(jī)械能，即快速充電，且充電速度不受“活性物質(zhì)”化學(xué)反應(yīng)速度的影響，提高了再生制動(dòng)時(shí)能量的回收效率。

2 車(chē)載飛輪電池關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1飛輪

飛輪轉(zhuǎn)子是飛輪電池系統(tǒng)的核心部分，高速旋轉(zhuǎn)來(lái)貯存能量。作為飛輪電池系統(tǒng)核心，飛輪的儲(chǔ)能能力直接決定了整個(gè)飛輪電池的性能。飛輪的總儲(chǔ)能量可表示為

式（1）和（2）中：J為飛輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，ω為飛輪旋轉(zhuǎn)角速度，m為飛輪質(zhì)量，R為飛輪有效回轉(zhuǎn)半徑，K為飛輪的形狀系數(shù)，σmax為飛輪轉(zhuǎn)子的最大許用應(yīng)力，ρ為飛輪材料密度。

由式（1）可知，飛輪的儲(chǔ)能量與飛輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量成正比，與飛輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速平方成正比。因此，提高飛輪儲(chǔ)能量有兩個(gè)途徑：提高飛輪的轉(zhuǎn)速或增加飛輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。增加轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的方式是增加飛輪有效回轉(zhuǎn)半徑和飛輪質(zhì)量，顯然有悖于車(chē)載飛輪小型化、輕型化的需求，所以增加飛輪儲(chǔ)能量的途徑一般為提升飛輪的轉(zhuǎn)速，但由于材料許用應(yīng)力的限制，使飛輪轉(zhuǎn)速不能無(wú)限制提升。式（2）為質(zhì)量?jī)?chǔ)能密度的表達(dá)式，即單位質(zhì)量所存儲(chǔ)的能量。特定的車(chē)載條件限制了飛輪電池的體積和質(zhì)量，因此要求車(chē)載飛輪具有較高的儲(chǔ)能密度。

由式（1）和式（2）可知，要想飛輪獲得較大的儲(chǔ)能量和儲(chǔ)能密度，必須提高飛輪的形狀系數(shù)（K），選擇比強(qiáng)度（σmax/ρ）高的材料來(lái)制造飛輪。優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提高飛輪形狀系數(shù)一直是飛輪轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)研究的重點(diǎn)。對(duì)于特定材質(zhì)的飛輪，只要設(shè)計(jì)出合理的形狀就可以使飛輪具有較大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、較輕的質(zhì)量的同時(shí)，應(yīng)力分布更加均勻，材料利用更加充分，從而使其具有較高的極限轉(zhuǎn)速，但是僅提高形狀系數(shù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到車(chē)載飛輪小型化、便攜化的要求[4-7]。高強(qiáng)度、低密度的復(fù)合材料的發(fā)展才真正使車(chē)載飛輪電池的開(kāi)發(fā)應(yīng)用成為可能。但是復(fù)合材料技術(shù)門(mén)檻較高，復(fù)合材料制成的飛輪破壞機(jī)理復(fù)雜、材料性能數(shù)據(jù)分散系數(shù)大并且工藝不成熟，一定程度上阻礙了車(chē)載飛輪電池發(fā)展[8-9]。而在飛輪電池的其他應(yīng)用場(chǎng)合比如電力儲(chǔ)能領(lǐng)域中，裝置系統(tǒng)不以高能量密度、高功率密度為目標(biāo)，在該應(yīng)用場(chǎng)合下，只要將飛輪設(shè)計(jì)的足夠大就可以達(dá)到儲(chǔ)能要求，此時(shí)飛輪材料選用金屬，發(fā)揮其技術(shù)成熟，成本低廉的優(yōu)勢(shì)。因此，車(chē)載應(yīng)場(chǎng)合和其它應(yīng)用場(chǎng)合在進(jìn)行飛輪設(shè)計(jì)和選擇有很大的區(qū)別。

2.2磁軸承支承技術(shù)

磁懸浮軸承是支承高速旋轉(zhuǎn)飛輪的重要部件，除了要承受飛輪轉(zhuǎn)子的重量外，還要承受因飛輪轉(zhuǎn)子中心偏離所導(dǎo)致的離心力及飛輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí)陀螺效應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)力。對(duì)于車(chē)載飛輪電池來(lái)說(shuō)，復(fù)雜的道路條件和頻繁的工況切換使得轉(zhuǎn)子的陀螺效應(yīng)更加明顯，從而大大降低了飛輪電池-轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定裕度。因此，車(chē)載飛輪電池對(duì)磁軸承支承系統(tǒng)有更嚴(yán)苛的要求。另外，考慮到車(chē)載飛輪電池的應(yīng)用場(chǎng)合，重量、尺寸和功率損耗也是磁軸承支承系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)。

表1介紹了無(wú)源磁軸承、有源磁軸承和混合磁軸承的原理和特性。無(wú)源磁軸缺乏主動(dòng)控制能力，不適用于支承易失穩(wěn)的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，而有源磁軸承功耗高的特點(diǎn)也有悖于磁軸承系統(tǒng)低功耗的要求。因而，結(jié)合了無(wú)源磁軸承和有源磁軸承優(yōu)點(diǎn)的混合磁軸承是車(chē)載飛輪電池支承系統(tǒng)的首選。為了進(jìn)一步降低磁軸承系統(tǒng)的能耗，減小磁軸承的重量和尺寸，提高磁軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性，國(guó)內(nèi)開(kāi)展了對(duì)混合磁軸承的研究。

按照轉(zhuǎn)子受控自由度分為單自由度磁軸承（軸向磁軸承）、二自由度磁軸承（徑向磁軸承）和三自由度磁軸承（徑向/軸向復(fù)合磁軸承），而完整的磁軸承系統(tǒng)需使轉(zhuǎn)子的五自由度受控。文獻(xiàn)[10]中提出了一種大型磁懸浮控制力矩陀螺系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，使用兩個(gè)帶有永磁體的混合徑向磁軸承和一個(gè)帶有永磁體的軸向磁軸承來(lái)支承高速轉(zhuǎn)子。帶有永磁體的徑向磁軸承和軸向磁軸承可降低功率損耗，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)控制能力?；旌洗泡S承雖然性能良好，但會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)笨重、復(fù)雜。徑向磁軸承和軸向磁軸承的的減重設(shè)計(jì)值得進(jìn)一步研究。為了減小磁軸承系統(tǒng)的功率損耗和重量，文獻(xiàn)[11]將徑向磁軸承、軸向磁軸承和一個(gè)永磁體環(huán)相組成混合三自由度磁軸承合來(lái)產(chǎn)生偏置磁通，用兩個(gè)徑向/軸向復(fù)合磁軸承來(lái)穩(wěn)定地支承高速轉(zhuǎn)子的五自由度。與文獻(xiàn)[10]的磁軸承方案相比，磁軸承系統(tǒng)重量由35.4 kg降至30.8 kg（下降13%），最大功耗由36.4 W降至30.6 W（下降15.9%）。此結(jié)構(gòu)性能優(yōu)越，但仍存在缺陷，4極的徑向磁極需要4個(gè)直流功率放大器驅(qū)動(dòng)，而直流功率放大器有體積大、成本高的劣勢(shì)。文獻(xiàn)[12]提出了一種三極徑向磁軸承，用2個(gè)直流功率放大器驅(qū)動(dòng)，這在一定程度上減小了體積，降低了成本。文獻(xiàn)[13]提出了由三相功率逆變器驅(qū)動(dòng)的三極徑向磁軸承，三相功率逆變器價(jià)格低、技術(shù)成熟。與四極徑向磁軸承相比，三相功率逆變器驅(qū)動(dòng)的三極徑向磁軸承具有顯著的體積、成本和功耗優(yōu)勢(shì)。針對(duì)立式飛輪電池，可利用不對(duì)稱(chēng)氣隙，使偏置磁通在轉(zhuǎn)子鐵心上產(chǎn)生穩(wěn)定的被動(dòng)懸浮力平衡轉(zhuǎn)子的重力，降低懸浮功耗[14]。

在提高磁軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性方面，文獻(xiàn)[15]中扁平的磁懸浮飛輪轉(zhuǎn)子有利于抑制陀螺效應(yīng)，此時(shí)要求轉(zhuǎn)子極慣性矩/赤道慣性矩在1.4～2之間。圓柱形結(jié)構(gòu)的磁軸承在轉(zhuǎn)子發(fā)生位移或偏轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子軸線平行的不平衡力加劇陀螺效應(yīng)。為了進(jìn)一步抑制陀螺效應(yīng)，提高磁軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性，文獻(xiàn)[16]提出了一種球形混合磁軸承，其3個(gè)平動(dòng)自由度由6對(duì)定子磁極控制。每一對(duì)磁極都是互相垂直的，雖然這種球形結(jié)構(gòu)幾乎避免了與轉(zhuǎn)子軸線平行的磁力，但其控制精度遠(yuǎn)低于普通圓柱磁軸承，并且一個(gè)完全球形磁軸承（無(wú)軸拓?fù)洌┩ǔ２贿m用于最流行的飛輪電池與軸拓?fù)?。文獻(xiàn)[17]提出了一種支承車(chē)載輪電池的向心力式磁軸承，該結(jié)構(gòu)不僅能減小非球面磁懸浮軸承在轉(zhuǎn)子做偏轉(zhuǎn)和偏移時(shí)產(chǎn)生的平行于轉(zhuǎn)子軸線的磁力，也解決了文獻(xiàn)[16]所提結(jié)構(gòu)控制精度低，結(jié)構(gòu)不具通用性的問(wèn)題。圖1.1為向心力磁軸承的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，球形的氣隙使轉(zhuǎn)子在偏移和偏轉(zhuǎn)時(shí)，磁力都會(huì)指向轉(zhuǎn)子中心，從而有效減少干擾力。

2.3 工況模型

由于車(chē)載飛輪電池的載體是運(yùn)動(dòng)的電動(dòng)汽車(chē)，因此路面的狀況（如不平度）和汽車(chē)的運(yùn)行工況（啟動(dòng)、加速、減速、上坡、下坡、轉(zhuǎn)彎）等因素都會(huì)影響車(chē)載飛輪電池運(yùn)行狀況。

普通飛輪電池的靜態(tài)應(yīng)用場(chǎng)合，基礎(chǔ)固定情況下的磁懸浮-飛輪轉(zhuǎn)子的動(dòng)態(tài)模型僅需考慮飛輪轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)下的動(dòng)態(tài)平衡特性，而飛輪電池的車(chē)載應(yīng)用場(chǎng)合，磁懸浮-飛輪轉(zhuǎn)子的動(dòng)態(tài)模型不僅需要考慮飛輪轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)下的動(dòng)態(tài)特性，還需考慮電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力學(xué)特性。因而，轉(zhuǎn)子自身的動(dòng)力學(xué)模型與汽車(chē)動(dòng)力學(xué)模型的融合是在建立車(chē)載飛輪電池的工況模型過(guò)程中一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。胡業(yè)發(fā)和他的學(xué)生們就這個(gè)問(wèn)題就行了初探索[18-20]。郝德清采用時(shí)域求解和拉氏變換求解分別對(duì)汽車(chē)振動(dòng)系統(tǒng)和車(chē)載飛輪電池轉(zhuǎn)子振動(dòng)系統(tǒng)作了推導(dǎo)，并在車(chē)載飛輪電池剛性轉(zhuǎn)子數(shù)學(xué)模型中加入了PD控制推導(dǎo)，在此基礎(chǔ)上，將車(chē)載飛輪電池置于車(chē)身質(zhì)心，使飛輪電池與車(chē)身質(zhì)心同時(shí)發(fā)生三自由度，很大程度上解決了工況模型與磁懸浮轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)模型數(shù)據(jù)融合問(wèn)題[18]。盧聰慧利用ADAMS軟件對(duì)路面隨機(jī)激勵(lì)下車(chē)載盤(pán)狀磁懸浮轉(zhuǎn)子的振動(dòng)進(jìn)行了仿真研究，探索出了三種條件變化（包括：路面不平度、汽車(chē)懸架剛度化、盤(pán)狀磁懸浮轉(zhuǎn)子電磁力等效剛度）對(duì)車(chē)載盤(pán)狀磁懸浮轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性的影響，為建立車(chē)載磁飛輪電池的工況模型深入優(yōu)化奠定了理論基礎(chǔ)[19]。該關(guān)鍵技術(shù)的完善是飛輪電池的穩(wěn)定控制的前提。

2.4小節(jié)及發(fā)展趨勢(shì)

真空技術(shù)、雙向變速的電機(jī)、現(xiàn)代控制技術(shù)等技術(shù)在飛輪電池的應(yīng)用中已經(jīng)有較大的發(fā)展。而特殊車(chē)載環(huán)境下的飛輪、支承系統(tǒng)、工況模型則是車(chē)載電池研制過(guò)程的關(guān)鍵點(diǎn)與難點(diǎn)。為了進(jìn)一步提高車(chē)載飛輪電池的穩(wěn)定性，降低車(chē)載飛輪電池的能耗，滿足車(chē)載工況小型化、輕型化的要求，需要在以下幾個(gè)方面開(kāi)展研究。

1）研制集成度高、結(jié)構(gòu)緊湊的飛輪電池來(lái)降低整體裝置的體積和質(zhì)量，其中的磁軸承支承系統(tǒng)可采用單個(gè)五自由度磁軸承代替多個(gè)磁軸承組成的復(fù)合支承系統(tǒng)。突破“長(zhǎng)軸”拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念束縛，采用“短軸”或“盤(pán)式”拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，不僅能改善體積和質(zhì)量，扁平化的轉(zhuǎn)子在一定程度上能夠抑制陀螺效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)飛輪轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定控制。

2）發(fā)展車(chē)載飛輪電池模塊化建設(shè)，根據(jù)車(chē)輛的功率需求組合單位飛輪電池。這種靈活的優(yōu)勢(shì)在于即使車(chē)輛功率需求不同，也無(wú)需重新優(yōu)化設(shè)計(jì)飛輪電池結(jié)構(gòu)，只需調(diào)整單位飛輪電池的數(shù)量即可滿足不同需求，具有簡(jiǎn)單、改動(dòng)成本小的特點(diǎn)。

3）在飛輪電池結(jié)構(gòu)中加入阻尼器，形成飛輪轉(zhuǎn)子-軸承-阻尼器系統(tǒng)的新結(jié)構(gòu)，來(lái)解決車(chē)載飛輪電池系統(tǒng)易失穩(wěn)問(wèn)題，該創(chuàng)新為車(chē)載飛輪電池的結(jié)構(gòu)改造提供了新思路。

3 結(jié)尾

隨著車(chē)載飛輪電池工業(yè)應(yīng)用中關(guān)鍵技術(shù)（包括飛輪、磁懸浮支承系統(tǒng)、工況模型等）不斷的發(fā)展完善，它不僅能廣泛的作為混合動(dòng)力汽車(chē)的輔助動(dòng)力系統(tǒng)，也有希望單獨(dú)為電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)供能。因此，研制高穩(wěn)定性、低能耗并且能滿足小型化、輕型化應(yīng)用要求的車(chē)載飛輪電池，既具有較高的理論價(jià)值，又具有較大的應(yīng)用價(jià)值。

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作者簡(jiǎn)介：殷福嘉（1995-）男，江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院碩士研究生，研究方向：飛輪電池的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。