车载飞轮电池及其关键技术研究

摘要：高效的能源存储是低碳交通的关键。飞轮电池以其储能密度高、充电快、无污染、无噪声、环境适应性能好等优点成为混合动力汽车和零排放电动汽车最有前途的动力电池之一。但由于车载飞轮电池工作坏境的特殊性，复杂工况易导致飞轮转子失稳、陀螺效应加剧，使得磁轴承的设计成为一项复杂而又关键的工作。本文从提高车载飞轮电池系统的稳定性、降低车载飞轮电池系统的损耗的角度出发，分析了车载飞轮电池的关键技术，尤其是磁轴承技术进行了较为详细的阐述。最后根据飞轮电池技术的不足指出未来发展方向。?

关键词：电动汽车;飞轮电池;关键技术;发展趋势

0 引言

2015年12月12日，巴黎气候变化大会上发布《巴黎协定》对2020年后全球如何应对气候变化做出了安排。为了响应该协定，有必要减少燃烧化石燃料所产生的温室气体排放。放弃以化石燃料为基础的交通工具，代之以清洁的电动交通工具，被视为迈向脱碳的关键步骤之一。

动力电池作为电动汽车的核心部件，其好坏直接影响整车的动力性能和续航能力，甚至决定了汽车的寿命[1-2]。电动汽车广泛采用蓄电池作为动力电池，经历了铅酸电池，碱性电池和燃料电池的技术更迭与发展，但仍存在续航里程低、能量损耗大等技术问题。另外，电动汽车在运行状况（平稳运行、启动、制动、转弯、加减速、上下坡）改变时，蓄电池无法满足电动汽车动力系统对比功率和比能量的双重需求，同时，蓄电池还需要进行大电流充放电来应对复杂的工况，蓄电池也会由此受到损害，缩短其使用寿命。因此，研制一款克服蓄电池缺点的动力电池，是电动汽车发展中亟需解决的重要问题。在此背景下，一款比能量大、功率高、能量转换率高、使用寿命长的飞轮电池应运而生[3]。

本文首先介绍了车载飞轮电池在混合动力汽车和电动汽车中运用的工作原理，对车载应用场合下的飞轮电池的关键技术进行总结。最后根据车载飞轮电池高稳定性、低能耗、小型化、轻型化的发展要求，针对车载飞轮电池目前存在的不足，讨论了未来车载飞轮电池的发展趋势。

1 车载飞轮电池工作原理

经典的飞轮电池机械结构如图1所示，主要由实现转子無接触支承的磁悬浮系统（单个或多个磁轴承组成五自由度磁轴承系统）、集成驱动的发电机/电动机、存储能量的飞轮转子、防止转子碰撞损坏的保护轴承、降低风阻损耗的真空室等部分组成。

飞轮电池有三种工作模式：

（1）“充电”模式

当飞轮电池存储能量时，在外电源的驱动下，电动机启动，带动飞轮运转，飞轮转速提升至电机的额定转速，电能转化为飞轮的机械能。在整个“充电”过程中，集成驱动的电机作电动机用。

（2）“放电”模式

当飞轮电池释放能量时，飞轮电池连接外部负载，飞轮依靠惯性带动电机运行，飞轮转速逐渐降低，直至下降为最低转速，飞轮的机械能转化为电能。在整个“放电”过程中，集成驱动的电机作发电机用。

（3）“保持”模式

飞轮转速达到预定值，既不吸收能量，也不向外界释放能量，理论上能量保持不变。

1.1电动汽车

若飞轮电池单独为电动汽车的动力系统供能，考虑到车载场合对电池体积、重量限制，则需要超高速飞轮来满足储能量和功率的需求。但随着转速的增加，在离心力的作用下，飞轮的内部应力会持续增加。由于材料许用应力的限制，飞轮转速不可能无限升高并且带动飞轮旋转的的电机在非常高的转速时易造成事故。因此，飞轮电池单独完成车载储能的任务暂时存在一定困难。将飞轮电池与原动力电池组合在一起使用，相互避免不足并发挥各自的优势，来满足混合动力汽车对储能系统的需求。

1.2混合动力汽车

飞轮电池作为一种辅助动力系统，在混合动力汽车启动、加速或爬坡时，能够快速、大能量地放电，为主蓄电池提供辅助动力，并减少主蓄电池的动力输出损耗，提高蓄电池循环使用寿命。在电动汽车制动、减速或下坡时，飞轮电池能快速储存机械能，即快速充电，且充电速度不受“活性物质”化学反应速度的影响，提高了再生制动时能量的回收效率。

2 车载飞轮电池关键技术分析

2.1飞轮

飞轮转子是飞轮电池系统的核心部分，高速旋转来贮存能量。作为飞轮电池系统核心，飞轮的储能能力直接决定了整个飞轮电池的性能。飞轮的总储能量可表示为

式（1）和（2）中：J为飞轮转子的转动惯量，ω为飞轮旋转角速度，m为飞轮质量，R为飞轮有效回转半径，K为飞轮的形状系数，σmax为飞轮转子的最大许用应力，ρ为飞轮材料密度。

由式（1）可知，飞轮的储能量与飞轮转子的转动惯量成正比，与飞轮转子的转速平方成正比。因此，提高飞轮储能量有两个途径：提高飞轮的转速或增加飞轮转子的转动惯量。增加转动惯量的方式是增加飞轮有效回转半径和飞轮质量，显然有悖于车载飞轮小型化、轻型化的需求，所以增加飞轮储能量的途径一般为提升飞轮的转速，但由于材料许用应力的限制，使飞轮转速不能无限制提升。式（2）为质量储能密度的表达式，即单位质量所存储的能量。特定的车载条件限制了飞轮电池的体积和质量，因此要求车载飞轮具有较高的储能密度。

由式（1）和式（2）可知，要想飞轮获得较大的储能量和储能密度，必须提高飞轮的形状系数（K），选择比强度（σmax/ρ）高的材料来制造飞轮。优化拓扑结构，提高飞轮形状系数一直是飞轮转子设计研究的重点。对于特定材质的飞轮，只要设计出合理的形状就可以使飞轮具有较大的转动惯量、较轻的质量的同时，应力分布更加均匀，材料利用更加充分，从而使其具有较高的极限转速，但是仅提高形状系数还远远达不到车载飞轮小型化、便携化的要求[4-7]。高强度、低密度的复合材料的发展才真正使车载飞轮电池的开发应用成为可能。但是复合材料技术门槛较高，复合材料制成的飞轮破坏机理复杂、材料性能数据分散系数大并且工艺不成熟，一定程度上阻碍了车载飞轮电池发展[8-9]。而在飞轮电池的其他应用场合比如电力储能领域中，装置系统不以高能量密度、高功率密度为目标，在该应用场合下，只要将飞轮设计的足够大就可以达到储能要求，此时飞轮材料选用金属，发挥其技术成熟，成本低廉的优势。因此，车载应场合和其它应用场合在进行飞轮设计和选择有很大的区别。

2.2磁轴承支承技术

磁悬浮轴承是支承高速旋转飞轮的重要部件，除了要承受飞轮转子的重量外，还要承受因飞轮转子中心偏离所导致的离心力及飞轮高速旋转时陀螺效应产生的应力。对于车载飞轮电池来说，复杂的道路条件和频繁的工况切换使得转子的陀螺效应更加明显，从而大大降低了飞轮电池-转子的稳定裕度。因此，车载飞轮电池对磁轴承支承系统有更严苛的要求。另外，考虑到车载飞轮电池的应用场合，重量、尺寸和功率损耗也是磁轴承支承系统的关键设计参数。

表1介绍了无源磁轴承、有源磁轴承和混合磁轴承的原理和特性。无源磁轴缺乏主动控制能力，不适用于支承易失稳的转子系统，而有源磁轴承功耗高的特点也有悖于磁轴承系统低功耗的要求。因而，结合了无源磁轴承和有源磁轴承优点的混合磁轴承是车载飞轮电池支承系统的首选。为了进一步降低磁轴承系统的能耗，减小磁轴承的重量和尺寸，提高磁轴承-转子系统的稳定性，国内开展了对混合磁轴承的研究。

按照转子受控自由度分为单自由度磁轴承（轴向磁轴承）、二自由度磁轴承（径向磁轴承）和三自由度磁軸承（径向/轴向复合磁轴承），而完整的磁轴承系统需使转子的五自由度受控。文献[10]中提出了一种大型磁悬浮控制力矩陀螺系统的设计方案，使用两个带有永磁体的混合径向磁轴承和一个带有永磁体的轴向磁轴承来支承高速转子。带有永磁体的径向磁轴承和轴向磁轴承可降低功率损耗，实现主动控制能力。混合磁轴承虽然性能良好，但会导致结构笨重、复杂。径向磁轴承和轴向磁轴承的的减重设计值得进一步研究。为了减小磁轴承系统的功率损耗和重量，文献[11]将径向磁轴承、轴向磁轴承和一个永磁体环相组成混合三自由度磁轴承合来产生偏置磁通，用两个径向/轴向复合磁轴承来稳定地支承高速转子的五自由度。与文献[10]的磁轴承方案相比，磁轴承系统重量由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%）。此结构性能优越，但仍存在缺陷，4极的径向磁极需要4个直流功率放大器驱动，而直流功率放大器有体积大、成本高的劣势。文献[12]提出了一种三极径向磁轴承，用2个直流功率放大器驱动，这在一定程度上减小了体积，降低了成本。文献[13]提出了由三相功率逆变器驱动的三极径向磁轴承，三相功率逆变器价格低、技术成熟。与四极径向磁轴承相比，三相功率逆变器驱动的三极径向磁轴承具有显著的体积、成本和功耗优势。针对立式飞轮电池，可利用不对称气隙，使偏置磁通在转子铁心上产生稳定的被动悬浮力平衡转子的重力，降低悬浮功耗[14]。

在提高磁轴承-转子系统的稳定性方面，文献[15]中扁平的磁悬浮飞轮转子有利于抑制陀螺效应，此时要求转子极惯性矩/赤道惯性矩在1.4～2之间。圆柱形结构的磁轴承在转子发生位移或偏转时，会产生与转子轴线平行的不平衡力加剧陀螺效应。为了进一步抑制陀螺效应，提高磁轴承-转子系统的稳定性，文献[16]提出了一种球形混合磁轴承，其3个平动自由度由6对定子磁极控制。每一对磁极都是互相垂直的，虽然这种球形结构几乎避免了与转子轴线平行的磁力，但其控制精度远低于普通圆柱磁轴承，并且一个完全球形磁轴承（无轴拓扑）通常不适用于最流行的飞轮电池与轴拓扑。文献[17]提出了一种支承车载轮电池的向心力式磁轴承，该结构不仅能减小非球面磁悬浮轴承在转子做偏转和偏移时产生的平行于转子轴线的磁力，也解决了文献[16]所提结构控制精度低，结构不具通用性的问题。图1.1为向心力磁轴承的拓扑结构图，球形的气隙使转子在偏移和偏转时，磁力都会指向转子中心，从而有效减少干扰力。

2.3 工况模型

由于车载飞轮电池的载体是运动的电动汽车，因此路面的状况（如不平度）和汽车的运行工况（启动、加速、减速、上坡、下坡、转弯）等因素都会影响车载飞轮电池运行状况。

普通飞轮电池的静态应用场合，基础固定情况下的磁悬浮-飞轮转子的动态模型仅需考虑飞轮转子高速旋转下的动态平衡特性，而飞轮电池的车载应用场合，磁悬浮-飞轮转子的动态模型不仅需要考虑飞轮转子高速旋转下的动态特性，还需考虑电动汽车的动力学特性。因而，转子自身的动力学模型与汽车动力学模型的融合是在建立车载飞轮电池的工况模型过程中一个亟待解决的问题。胡业发和他的学生们就这个问题就行了初探索[18-20]。郝德清采用时域求解和拉氏变换求解分别对汽车振动系统和车载飞轮电池转子振动系统作了推导，并在车载飞轮电池刚性转子数学模型中加入了PD控制推导，在此基础上，将车载飞轮电池置于车身质心，使飞轮电池与车身质心同时发生三自由度，很大程度上解决了工况模型与磁悬浮转子动态模型数据融合问题[18]。卢聪慧利用ADAMS软件对路面随机激励下车载盘状磁悬浮转子的振动进行了仿真研究，探索出了三种条件变化（包括：路面不平度、汽车悬架刚度化、盘状磁悬浮转子电磁力等效刚度）对车载盘状磁悬浮转子动力学特性的影响，为建立车载磁飞轮电池的工况模型深入优化奠定了理论基础[19]。该关键技术的完善是飞轮电池的稳定控制的前提。

2.4小节及发展趋势

真空技术、双向变速的电机、现代控制技术等技术在飞轮电池的应用中已经有较大的发展。而特殊车载环境下的飞轮、支承系统、工况模型则是车载电池研制过程的关键点与难点。为了进一步提高车载飞轮电池的稳定性，降低车载飞轮电池的能耗，满足车载工况小型化、轻型化的要求，需要在以下几个方面开展研究。

1）研制集成度高、结构紧凑的飞轮电池来降低整体装置的体积和质量，其中的磁轴承支承系统可采用单个五自由度磁轴承代替多个磁轴承组成的复合支承系统。突破“长轴”拓扑结构设计理念束缚，采用“短轴”或“盘式”拓扑结构，不仅能改善体积和质量，扁平化的转子在一定程度上能够抑制陀螺效应，实现飞轮转子的稳定控制。

2）发展车载飞轮电池模块化建设，根据车辆的功率需求组合单位飞轮电池。这种灵活的优势在于即使车辆功率需求不同，也无需重新优化设计飞轮电池结构，只需调整单位飞轮电池的数量即可满足不同需求，具有简单、改动成本小的特点。

3）在飞轮电池结构中加入阻尼器，形成飞轮转子-轴承-阻尼器系统的新结构，来解决车载飞轮电池系统易失稳问题，该创新为车载飞轮电池的结构改造提供了新思路。

3 结尾

随着车载飞轮电池工业应用中关键技术（包括飞轮、磁悬浮支承系统、工况模型等）不断的发展完善，它不仅能广泛的作为混合动力汽车的辅助动力系统，也有希望单独为电动汽车的动力系统供能。因此，研制高稳定性、低能耗并且能满足小型化、轻型化应用要求的车载飞轮电池，既具有较高的理论价值，又具有较大的应用价值。

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作者简介：殷福嘉（1995-）男，江苏大学电气信息工程学院硕士研究生，研究方向：飞轮电池的拓扑结构设计。