飛輪電池應(yīng)用于汽車動(dòng)力裝置的技術(shù)現(xiàn)狀與前景展望

伍賽特

(上海汽車集團(tuán)股份有限公司，上海 200438)

0 引言

汽車是現(xiàn)代社會(huì)的重要交通工具，提供了便捷、舒適的出行方式。隨著石油資源的日漸枯竭以及環(huán)境污染的日益加重，傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車的發(fā)展日漸式微，與此相對(duì)的，新能源汽車也應(yīng)著時(shí)代的浪潮崛地而起。

通常意義上的新能源汽車可分為兩類:一類為替代燃料的內(nèi)燃機(jī)汽車，通常可用醇類燃料替代汽油，用二甲醚及生物柴油替代柴油;而另一類則為各種形式的電動(dòng)汽車，傳統(tǒng)意義上的電動(dòng)汽車可分為純電動(dòng)汽車、燃料電池汽車，以及混合動(dòng)力汽車等[1]。

1 飛輪電池及其特點(diǎn)

飛輪電池誕生于20世紀(jì)90年代，它直接采用物理方法儲(chǔ)存能量[2]，有別于傳統(tǒng)的化學(xué)能電池。它通常包括飛輪、軸承、動(dòng)力軸、電動(dòng)發(fā)電機(jī)、真空容器及電力電子設(shè)備。發(fā)電機(jī)與電動(dòng)機(jī)均通過(guò)同一臺(tái)電動(dòng)發(fā)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，并通過(guò)軸承與飛輪進(jìn)行連接。

飛輪電池將外界輸送的電能通過(guò)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換為飛輪的動(dòng)能，并進(jìn)行儲(chǔ)備[3-4]。需要對(duì)外輸出電能時(shí)，則通過(guò)發(fā)電機(jī)將飛輪的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能。為了有效降低能量消耗，通常將飛輪電池的電動(dòng)機(jī)及飛輪等構(gòu)件均密封于真空容器中，并以此降低空氣阻力。

飛輪電池具備諸多顯著優(yōu)勢(shì)，已成為了電池行業(yè)的重要發(fā)展方向。相比于化學(xué)電池其優(yōu)勢(shì)在于：

(1)儲(chǔ)能密度大、瞬時(shí)功率高[5]。

(2)飛輪電池的充、放電實(shí)質(zhì)上是將電能與飛輪機(jī)械功進(jìn)行轉(zhuǎn)換，因此不存在過(guò)度充電及過(guò)度放電，也不會(huì)影響其儲(chǔ)能密度。

(3)飛輪電池充電時(shí)間比化學(xué)電池更短。

(4)飛輪電池使用壽命更長(zhǎng)，通常可達(dá)20年之久[6]。

(5)具備更高的能量轉(zhuǎn)換效率。

表1為飛輪電池與各儲(chǔ)能裝置的性能比較。

表1 儲(chǔ)能裝置性能比較

2 飛輪電池的儲(chǔ)能特點(diǎn)

當(dāng)外部供能裝置通過(guò)電力電子設(shè)備為電動(dòng)發(fā)電機(jī)供電時(shí)，電動(dòng)發(fā)電機(jī)即作為電動(dòng)機(jī)使用，其作用是為發(fā)電機(jī)工況運(yùn)行，并通過(guò)電力電子為外部設(shè)備供電。飛輪可謂是整個(gè)飛輪電池的核心構(gòu)件，整個(gè)裝置儲(chǔ)能受其限制。其能量?jī)?chǔ)備公式：

(1)

式中：E為飛輪可儲(chǔ)備的能量；j為飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，與飛輪的形狀及質(zhì)量密切相關(guān)；ω為飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)中的角速度。由式(1)可知，飛輪電池裝置的能量?jī)?chǔ)備由飛輪的質(zhì)量、形狀及其轉(zhuǎn)速共同決定。因此，提升飛輪的轉(zhuǎn)速對(duì)飛輪電池儲(chǔ)備能量的提升具有顯著的效果。

3 飛輪電池的當(dāng)前發(fā)展與技術(shù)現(xiàn)狀

3.1 技術(shù)現(xiàn)狀

飛輪電池近年來(lái)發(fā)展已較為成熟，其比能量及比功率明顯高于化學(xué)電池，已逐漸成為重點(diǎn)研究方向[7]。美國(guó)飛輪系統(tǒng)公司近年來(lái)已成功研制出以克萊斯勒LHS轎車作為原型車的新型飛輪電池轎車AFS20，該車型完全由飛輪電池供電，通過(guò)20節(jié)飛輪電池驅(qū)動(dòng)，每節(jié)電池直徑可達(dá)230 mm，質(zhì)量為13.64 kg，電池完成充電需要6 h，快速充電只需15 min，一次充電后的續(xù)航里程可達(dá)560 km，其原型LHS汽油車為520 km，加速性能也十分出色，從0 加速至96 km/h，僅需6.5 s，總壽命超過(guò)3.21×106km。

目前飛輪電池技術(shù)的進(jìn)展主要基于三類技術(shù)的飛速發(fā)展：

(1)高能永磁及高溫超導(dǎo)技術(shù)的誕生；

(2)高強(qiáng)度纖維復(fù)合材料的問(wèn)世；

(3)電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展。

3.2 軸承技術(shù)

軸承技術(shù)為飛輪電池技術(shù)研究的關(guān)鍵。由于飛輪本體有著較高的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，并且轉(zhuǎn)速較大，存在著明顯的陀螺效應(yīng)以及過(guò)臨界問(wèn)題，因此對(duì)其支承軸承有著較高要求[8]。

傳統(tǒng)的滾動(dòng)軸承、流體動(dòng)壓軸承較難實(shí)現(xiàn)高速重載并且摩擦損耗較低的要求。近年來(lái)高速發(fā)展的飛輪電池支承方式有超導(dǎo)磁懸浮、永磁懸浮及電磁懸浮[9]，以下分別對(duì)其進(jìn)行分析。

3.2.1 超導(dǎo)磁懸浮軸承

超導(dǎo)磁懸浮軸承通常由永磁體及超導(dǎo)體構(gòu)成，超導(dǎo)體通常采用高溫超導(dǎo)體。當(dāng)超導(dǎo)體處于超導(dǎo)狀態(tài)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)抗磁性及磁通釘扎性[10]，超導(dǎo)磁懸浮軸承通常利用抗磁性提供靜態(tài)磁懸浮力，并利用釘扎性提供穩(wěn)定力，以此實(shí)現(xiàn)飛輪的穩(wěn)定懸浮。此類功率大，并且在短飛輪系統(tǒng)通過(guò)繞其中軸旋轉(zhuǎn)并將動(dòng)能進(jìn)行儲(chǔ)存，如同一類動(dòng)能電池，可有效取代傳統(tǒng)蓄電池。超導(dǎo)磁懸浮軸承由于并無(wú)直接性機(jī)械接觸，整個(gè)裝置的能耗較小。并且由于旋轉(zhuǎn)體為永磁材料，受到強(qiáng)度限制，其轉(zhuǎn)速無(wú)法過(guò)高，通常不超過(guò)30 000 r/min，由于裝置具備自穩(wěn)定性、能耗低、承載力高等優(yōu)勢(shì)，可采用超導(dǎo)磁懸浮軸承以提升整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性及儲(chǔ)能效率。

3.2.2 永磁懸浮軸承

永磁懸浮軸承通常可由一對(duì)或數(shù)對(duì)磁環(huán)采用軸向或徑向排列方式而制成，并可加入軟磁材質(zhì)。通過(guò)對(duì)排列形式的設(shè)計(jì)，利用磁環(huán)間的作用力，可用于徑向軸承。隨著近年來(lái)永磁材料領(lǐng)域的飛速進(jìn)展，永磁懸浮軸承的承載能力有了顯著提升。但是僅采用永磁懸浮軸承難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定懸浮，需在某一特定方向施加外力。如需使永磁體進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)，需減少其徑向尺寸或者采用導(dǎo)磁鋼環(huán)替代永磁環(huán)[11]。

3.2.3 電磁懸浮軸承

電磁懸浮軸承可依據(jù)飛輪的位置來(lái)調(diào)節(jié)對(duì)轉(zhuǎn)子的電磁力，以此將飛輪固定在某一特定位置。電磁軸承可在徑向及軸向?qū)χ鬏S進(jìn)行定位，并使得飛輪的穩(wěn)定性及安全性得以提升，采用電磁軸承后的一大優(yōu)勢(shì)是飛輪可以以超高速狀態(tài)運(yùn)行，通常可達(dá)到30 000～60 000 r/min。

機(jī)械軸承、超導(dǎo)磁懸浮軸承、永磁懸浮軸承、電磁懸浮軸承幾類方式各有特點(diǎn)，因此通常在實(shí)際使用過(guò)程中將其組合使用。

4 車用飛輪電池

飛輪電池充電速度較快、并且放電安全，更適用于混合動(dòng)力汽車。在汽車正常行駛工況或制動(dòng)工況下為飛輪電池充電。而飛輪電池則可在加速或爬坡時(shí)為汽車提供額外的驅(qū)動(dòng)力，以保證車輛的動(dòng)力性能，并以此減少燃料消耗、排放污染及振動(dòng)噪聲，還可以延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命。

飛輪電池的比能量通常為鎳氫電池的2～3倍，并且高于一般蓄電池及內(nèi)燃機(jī)，其快速充電模式可在18 min內(nèi)完成并且具備較長(zhǎng)的能量?jī)?chǔ)存時(shí)間。除此之外，飛輪電池可進(jìn)行超快速充電，并且沒(méi)有化學(xué)電池的壽命衰減問(wèn)題，使用壽命顯著優(yōu)于各類化學(xué)蓄電池。飛輪自身為純機(jī)械構(gòu)件，不會(huì)對(duì)大氣造成污染，并且不存在化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，并不會(huì)像化學(xué)蓄電池一般引起腐蝕現(xiàn)象，并且無(wú)廢料回收之余。

相比于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車，混合動(dòng)力汽車由于采用了蓄電池及電動(dòng)機(jī)，可避免在其行駛過(guò)程中出現(xiàn)大馬拉小車的現(xiàn)象，以此提升整車的效率。隨著磁懸浮技術(shù)的不斷發(fā)展，飛輪充、放電次數(shù)會(huì)遠(yuǎn)多于整車的動(dòng)力需求。飛輪在充、放電時(shí)化學(xué)能與機(jī)械能之間存在相互轉(zhuǎn)換，其放電功率亦可大可小，并不會(huì)影響電池耐久性[12]。

飛輪系統(tǒng)自身響應(yīng)性也較為出色，可在短時(shí)間內(nèi)由靜止?fàn)顟B(tài)加速至每分鐘數(shù)萬(wàn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速。通常在飛輪電池技術(shù)中，可決定功率輸入及輸出的部件是電力電子設(shè)備，與外部負(fù)載并無(wú)直接關(guān)系，因此還可通過(guò)控制飛輪轉(zhuǎn)速來(lái)限制飛輪的充電[13-15]。

5 飛輪電池目前尚未得以大規(guī)模應(yīng)用的原因

飛輪電池目前并未得以大規(guī)模應(yīng)用主要出于：

(1)飛輪自身能耗源于空氣阻力及軸承摩擦。

(2)制造飛輪的材料通常為鋼或鑄鐵，儲(chǔ)能較為有限。

(3)系統(tǒng)對(duì)電能與機(jī)械能進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，對(duì)電力電子裝置的要求較高。

就當(dāng)前技術(shù)水平而言，飛輪電池電動(dòng)汽車尚無(wú)法大規(guī)模使用，根據(jù)飛輪電池自身的特點(diǎn)，它更適用于混合動(dòng)力汽車技術(shù)。

6 結(jié)論及展望

目前飛輪電池盡管具備儲(chǔ)能密度大、瞬時(shí)功率高、使用壽命長(zhǎng)、能量轉(zhuǎn)換效率高、不存在過(guò)度充放電等顯著優(yōu)勢(shì)，但由于軸承技術(shù)、儲(chǔ)能功率有限等問(wèn)題尚未得以大規(guī)模推廣，但仍是一類充滿前景的汽車動(dòng)力裝置。隨著石油資源及環(huán)境保護(hù)問(wèn)題的日益嚴(yán)重，飛輪電池必將在汽車動(dòng)力裝置中占有一席之地。