飛輪電池的發展現狀與應用

【摘 要】目前，電動汽車上應用最廣泛的電源是鉛酸蓄電池，但隨著電動汽車技術的發展，鉛酸蓄電池由于比能量較低，充電速度較慢，壽命較短，已逐漸被其他蓄電池所取代。正在發展的電源主要有鈉-硫電池、鎳-鎘電池、鋰電池、燃料電池、飛輪電池等等，本文主要闡述飛輪電池的目前廣闊前景。

【關鍵詞】飛輪電池；現狀；應用

隨著人們環保意識的增強，全世界人們都在尋找一種無污染或污染小的能量供給方式。飛輪技術由于是電能和機械能的相互轉化，不會造成污染，飛輪儲能電池的概念起源于上世紀70年代早期，最初只是想將其應用在電動汽車上，但限于當時的技術水平，并沒有得到發展。直到上世紀90年代由于電路拓撲思想的發展，碳纖維材料的廣泛應用，以及全世界范圍對污染的重視，這種新型電池又得到了高速發展。

飛輪電池實際上是一種電能轉換和儲存裝置。飛輪可以儲存能量，根據飛輪能夠儲存和釋放能量的特性研制的一種機械式蓄電池就是飛輪蓄電池。在飛輪的內部鑲有永久性磁鐵，外殼上裝有感應線圈，這樣飛輪就具有電動機和發電機的雙重功能，充電時飛輪中的電機以電動機的形式運行，在外接電源的驅動下帶動飛輪旋轉，達到極高的轉速，從而完成電能—機械能轉換的儲能過程；放電時飛輪中的電機以發電機的狀態運行，在飛輪的帶動下對外輸出電能，完成機械能—電能轉換的釋放過程。

飛輪電池充電快，放電完全，非常適合應用于混合能量推動的車輛中。車輛在正常行使時和剎車制動時，給飛輪電池充電；飛輪電池則在加速或爬坡時，給車輛提供動力，保證車輛運行在一種平穩，最優狀態下的轉速，可減少燃料消耗，空氣和噪聲污染，并可以減少發動機的維護，延長發動機的壽命。飛輪電池電動汽車利用儲存在隨車飛輪中的機械能驅動汽車前進。它的推進系統由飛輪電池，電機控制器，電機和傳動系統等組成。

飛輪電池實際上是一種機-電能量轉換和儲存裝置。飛輪可以儲存能量，根據飛輪能夠儲存和釋放能量的特性研制的一種機械式蓄電池就是飛輪蓄電池。在飛輪的內部鑲有永久性磁鐵，外殼上裝有感應線圈，這樣飛輪就具有電動機和發目前隨著環境保護意識的提高以及全球能源的供需矛盾，開發節能及采用替代能源的環保型汽車，以減少對環境的污染，成為當今世界汽車產業發展的一個重要趨勢。汽車制造行業紛紛把目光轉向電動汽車的研制。能找到儲能密度大，充電時間短，價格適宜的新型電池，是電動汽車能否擁有更大的機動性并與汽油車一爭高下的關鍵。而飛輪電池因具有清潔，高效，充放電迅捷，不污染環境等特點而受到汽車行業的廣泛重視。預計21世紀飛輪電池將會是電動汽車行業的研究熱點。

飛輪電池充電快，放電完全，非常適合應用于混合能量推動的車輛中。車輛在正常行使時和剎車制動時，給飛輪電池充電；飛輪電池則在加速或爬坡時，給車輛提供動力，保證車輛運行在一種平穩，最優狀態下的轉速，可減少燃料消耗，空氣和噪聲污染，并可以減少發動機的維護，延長發動機的壽命。飛輪電池電動汽車利用儲存在隨車飛輪中的機械能驅動汽車前進。它的推進系統由飛輪電池，電機控制器，電機和傳動系統等組成。

飛輪電池實際上是一種機-電能量轉換和儲存裝置。飛輪可以儲存能量，根據飛輪能夠儲存和釋放能量的特性研制的一種機械式蓄電池就是飛輪蓄電池。在飛輪的內部鑲有永久性磁鐵，外殼上裝有感應線圈，這樣飛輪就具有電動機和發電機的雙重功能。充電時飛輪中的電機以電動機的形式運行，在外接電源的驅動下帶動飛輪旋轉，達到極高的轉速，從而完成電能-機械能轉換的儲能過程；放電時，飛輪中的電機以發電機的狀態運行，在飛輪的帶動下對外輸出電能，完成機械能-電能轉換的釋放過程 。

但是，飛輪儲能方法一直未能得到廣泛的應用，其主要有三點原因；飛輪本身的能耗主要來自軸承摩擦和空氣阻力；常規飛輪是有鋼（或鑄鐵）制成，儲能有限；要完成電能機械能的轉換，還需要一套復雜的電力電子裝置。目前，飛輪儲能技術取得突破性進展是基于下述三項技術的飛速發展；一是高能永磁及高溫超導技術的出現；二是高強纖維復合材料的問世；三是電力電子技術的飛速發展。就目前的技術來看，飛輪電池電動汽車還不能廣泛應用，根據飛輪儲能裝置本身的特點來講，它更加適用于復合動力汽車和混合電動汽車技術中，復合電力汽車是靠內燃機和電動機兩種方式共同提供推動力的，在汽車正常行駛和制動的時候給電池充電，汽車爬坡和加速，需要功率大的時候讓電池放電。

由于普通汽車在正常行駛的時候，功率僅為最大功率的四分之一，復合電力汽車中蓄電池和電動機的加入恰好可以解決這個問題，這樣，復合動力汽車就可以不用按照汽車的最大功率來進行設計，以避免出現在正常行駛的過程中出現大馬拉小車的現象，大幅度提高汽車的性能。復合動力汽車技術早就得到了科學家們的重視，美國和許多歐洲國家都已經開始應用。首先，在汽車的使用過程中，電池的充放電次數很多，而一般的化學電池的充放電次數很難提高，其次，在汽車的使用過程中，電池的放電深度很不規則，對于化學電池的壽命就會有很大的影響，最后，要求點吃的充方速度快，這樣才能滿足汽車電動機電池的需要。但是，對于飛輪儲能裝設來說卻不難。隨著磁懸浮技術的發展，飛輪的充放電次數遠遠大于汽車電池使用的需要，而且飛輪的充放電是化學能和機械能的互相轉化，它的放電深度可大可小，絕不會影響電池壽命，同時，由多臺驅動的飛輪系統可以在很短的時間內達到幾萬轉的轉速。此外，在飛輪儲能裝置中，決定輸入輸出的器件是它外接的電力電子器件，而與外部的負載沒有關系，還可以很方便地通過控制飛輪的旋轉速度來控制飛輪的充電，這種特點在化學電池中實現起來要困難得多。

飛輪電池與其它電池進行比較可得到飛輪電池的優點。現在，使用最多最廣的儲能電池無疑是化學電池，它將電能轉變為化學能儲存，再轉化為電能輸出，它價格低廉，技術成熟，但污染嚴重，效率低下，充電時間長，用電時間短，使用過程中電能不易控制。另一儲能電池是超導電池，它把電能轉化為磁能儲存在超導線圈的磁場中，由于超導狀態下線圈沒有電阻，所以能量損耗非常小，效率也高，對環境污染也小。但由于超導狀態是線圈處于極低溫度下才能實現，維持線圈處于超導狀態所需要的低溫需耗費大量能源，而且維持裝置過大，不易小型化，所以家用市場前景不強。

結束語：

作為一種新興的儲能方式，飛輪電池所擁有傳統化學電池無法比擬的優點已被人們廣泛認同，它非常符合未來儲能技術的發展方向。目前，飛輪電池除了上面介紹的應用領域以外，也正在向小型化、低廉化的方向發展。現在，最可能出現的是手機電池。可以預見，伴隨著技術和材料學的進步，飛輪電池將在未來的各行各業中發揮重要的作用。

【參考文獻】

[1]劉洪恩.新能源應用技術系列教材：新能源概論，北京：化學工業出版社，2013.8.1.

[2]胡驊，宋慧.“十二五”普通高等教育車輛工程專業規劃教材：電動汽車（第3版），北京：人民交通出版社，2012.1.1.

[3]趙振宇，王慧怡.新能源汽車技術，北京：人民交通出版社，2013.4.