飛輪電池在混合動力電動汽車中的應用

李紀剛，徐鵬云，秦紅星，趙樹鵬

  (河北農業大學，河北保定071001)

   摘要：介紹了飛輪電池的結構、原理和特點，總結了應用飛輪電池的電動汽車的發展歷程。著重研究了飛輪電池在混合動力電動汽車上的應用，并就其相關因素對混合動力電動汽車的影響作了詳細分析，提出了解決方法。

  關鍵詞：飛輪電池；電動汽車；混合動力

  中圖分類號：TM34  文獻標識碼：A  文章編號：1004—7018(2008)06—0058一03

0引  言

    目前，混合動力電動汽車(以下簡稱HEV)已經成為解決節能和環保問題切實可行的方案之一。要使HEV處于良好的工作狀態，必須采用能進行大電流充放電且具有高比功率、長壽命、低損耗的儲能裝置。飛輪電池的概念一經提出，便以其儲能密度高、體積小、質量輕、充電快、壽命長、無任何廢氣廢料污染等特點，引起了混合動力電動汽車行業的廣泛關注，被認為是近期最有希望和最有競爭力的儲能裝置，有著非常廣闊的應用前景。

1飛輪電池的結構、原理和特點

    飛輪電池一般是由飛輪轉子、電動／發電機、磁軸承系統、電力電子變換裝置和真空容器等部分構成，結構如圖1所示。

當給飛輪電池充電時，集成的電動／發電機以電動機的形式運行，電能通過電力電子變換裝置從外部輸入，以驅動電動機帶動飛輪加速旋轉，從而完成電能到機械能的轉換過程，使能量以動能的形式存儲起來；當外部負載需要能量時，飛輪電池就放電，此時電機處于發電機運行狀態，把飛輪存儲的動能通過電力電子變換裝置轉換成負載所需要的電能，完成機械能到電能的釋放。

    表1列出了幾種車用電池的性能比較^[1]。從中

可以看出飛輪電池兼顧了化學電池、燃料電池和超導電池等儲能裝置的諸多優點，主要表現在如下幾個方面：

    (1)能量密度高：儲能密度可達100～200 wh／kg，功率密度可達5 000～lO 000 w／kg。

    (2)能量轉換效率高：工作效率高達百分之90。

    (3)體積小、重量輕：飛輪直徑約二十多厘米，總重在十幾千克左右。

    (4)工作溫度范圍寬：對環境溫度沒有嚴格要求。

    (5)使用壽命長：不受重復深度放電影響，能夠循環幾百萬次運行，預期壽命20年以上。

    (6)低損耗、低維護：磁懸浮軸承和真空環境使機械損耗可以被忽略，系統維護周期長。

  儲能飛輪支承系統飛輪蓄能發電設備的旋轉摩擦損耗較大，為了減少旋轉摩擦損耗，所以現在一般都采用磁懸浮軸承。磁懸浮軸承是飛輪儲能系統的關鍵部件。

    電動／發電機為了系統結構及降低功耗，故將電動／發電機與飛輪本體做成一體。目前國內外廣泛采用永磁無刷直流電動／發電機互逆式雙向一體化電機。無刷直流電動機具有直流電動機的機械特性，在結構上摒棄了電刷和整流子，因而壽命長，使用可靠，消除接觸換向帶來的噪聲和電磁干擾。由于功耗還取決于電樞電阻、渦流電流和磁滯損耗，因此無鐵靜子獲得廣泛應用。電機轉子選用釹鐵硼永磁磁鐵，使得電機／發電機的體積、重量大大減小。

    (7)對環境無危害：無任何有毒材料，對環境幾乎無污染。

2飛輪電池在汽車上的應用概況

    20世紀80年代初，瑞士OerIikon Energy公司研制成功了完全由飛輪供能的第一輛公共汽車，飛輪直徑1．63 m，重1．5 t，該車可載乘客70名，行程大約O．8 km，在每一停靠站停車時，飛輪將需要充電2 min^[2]。

    1987年德國首次開發出車載內燃機一飛輪電池混合動力電動汽車，飛輪吸收汽車制動時百分之90的能量，并在需要短時加速時釋放出來以補充內燃機的功率要求，可以使內燃機工作在****的工況下，既節能又提高了機器壽命。

    1992年美國飛輪系統公司(AFs)獲得了飛輪電池的專利，隨后采用Kevlar纖維復合材料制作飛輪，成功地把一輛克萊斯勒LHS轎車改裝為飛輪電池轎車AFS20。即使萬一高速下破裂，飛輪立即轉變為棉絮狀結構，且飛輪外有金屬外殼，對車內成員不構成威脅。改裝后的電