車載飛輪電池及其關鍵技術研究

摘要：高效的能源存儲是低碳交通的關鍵。飛輪電池以其儲能密度高、充電快、無污染、無噪聲、環境適應性能好等優點成為混合動力汽車和零排放電動汽車最有前途的動力電池之一。但由于車載飛輪電池工作壞境的特殊性，復雜工況易導致飛輪轉子失穩、陀螺效應加劇，使得磁軸承的設計成為一項復雜而又關鍵的工作。本文從提高車載飛輪電池系統的穩定性、降低車載飛輪電池系統的損耗的角度出發，分析了車載飛輪電池的關鍵技術，尤其是磁軸承技術進行了較為詳細的闡述。最后根據飛輪電池技術的不足指出未來發展方向。?

關鍵詞：電動汽車;飛輪電池;關鍵技術;發展趨勢

0 引言

2015年12月12日，巴黎氣候變化大會上發布《巴黎協定》對2020年后全球如何應對氣候變化做出了安排。為了響應該協定，有必要減少燃燒化石燃料所產生的溫室氣體排放。放棄以化石燃料為基礎的交通工具，代之以清潔的電動交通工具，被視為邁向脫碳的關鍵步驟之一。

動力電池作為電動汽車的核心部件，其好壞直接影響整車的動力性能和續航能力，甚至決定了汽車的壽命[1-2]。電動汽車廣泛采用蓄電池作為動力電池，經歷了鉛酸電池，堿性電池和燃料電池的技術更迭與發展，但仍存在續航里程低、能量損耗大等技術問題。另外，電動汽車在運行狀況（平穩運行、啟動、制動、轉彎、加減速、上下坡）改變時，蓄電池無法滿足電動汽車動力系統對比功率和比能量的雙重需求，同時，蓄電池還需要進行大電流充放電來應對復雜的工況，蓄電池也會由此受到損害，縮短其使用壽命。因此，研制一款克服蓄電池缺點的動力電池，是電動汽車發展中亟需解決的重要問題。在此背景下，一款比能量大、功率高、能量轉換率高、使用壽命長的飛輪電池應運而生[3]。

本文首先介紹了車載飛輪電池在混合動力汽車和電動汽車中運用的工作原理，對車載應用場合下的飛輪電池的關鍵技術進行總結。最后根據車載飛輪電池高穩定性、低能耗、小型化、輕型化的發展要求，針對車載飛輪電池目前存在的不足，討論了未來車載飛輪電池的發展趨勢。

1 車載飛輪電池工作原理

經典的飛輪電池機械結構如圖1所示，主要由實現轉子無接觸支承的磁懸浮系統（單個或多個磁軸承組成五自由度磁軸承系統）、集成驅動的發電機/電動機、存儲能量的飛輪轉子、防止轉子碰撞損壞的保護軸承、降低風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

當飛輪電池存儲能量時，在外電源的驅動下，電動機啟動，帶動飛輪運轉，飛輪轉速提升至電機的額定轉速，電能轉化為飛輪的機械能。在整個“充電”過程中，集成驅動的電機作電動機用。

（2）“放電”模式

當飛輪電池釋放能量時，飛輪電池連接外部負載，飛輪依靠慣性帶動電機運行，飛輪轉速逐漸降低，直至下降為最低轉速，飛輪的機械能轉化為電能。在整個“放電”過程中，集成驅動的電機作發電機用。

（3）“保持”模式

飛輪轉速達到預定值，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電動汽車

若飛輪電池單獨為電動汽車的動力系統供能，考慮到車載場合對電池體積、重量限制，則需要超高速飛輪來滿足儲能量和功率的需求。但隨著轉速的增加，在離心力的作用下，飛輪的內部應力會持續增加。由于材料許用應力的限制，飛輪轉速不可能無限升高并且帶動飛輪旋轉的的電機在非常高的轉速時易造成事故。因此，飛輪電池單獨完成車載儲能的任務暫時存在一定困難。將飛輪電池與原動力電池組合在一起使用，相互避免不足并發揮各自的優勢，來滿足混合動力汽車對儲能系統的需求。

1.2混合動力汽車

飛輪電池作為一種輔助動力系統，在混合動力汽車啟動、加速或爬坡時，能夠快速、大能量地放電，為主蓄電池提供輔助動力，并減少主蓄電池的動力輸出損耗，提高蓄電池循環使用壽命。在電動汽車制動、減速或下坡時，飛輪電池能快速儲存機械能，即快速充電，且充電速度不受“活性物質”化學反應速度的影響，提高了再生制動時能量的回收效率。

2 車載飛輪電池關鍵技術分析

2.1飛輪

飛輪轉子是飛輪電池系統的核心部分，高速旋轉來貯存能量。作為飛輪電池系統核心，飛輪的儲能能力直接決定了整個飛輪電池的性能。飛輪的總儲能量可表示為

式（1）和（2）中：J為飛輪轉子的轉動慣量，ω為飛輪旋轉角速度，m為飛輪質量，R為飛輪有效回轉半徑，K為飛輪的形狀系數，σmax為飛輪轉子的最大許用應力，ρ為飛輪材料密度。

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

由式（1）和式（2）可知，要想飛輪獲得較大的儲能量和儲能密度，必須提高飛輪的形狀系數（K），選擇比強度（σmax/ρ）高的材料來制造飛輪。優化拓撲結構，提高飛輪形狀系數一直是飛輪轉子設計研究的重點。對于特定材質的飛輪，只要設計出合理的形狀就可以使飛輪具有較大的轉動慣量、較輕的質量的同時，應力分布更加均勻，材料利用更加充分，從而使其具有較高的極限轉速，但是僅提高形狀系數還遠遠達不到車載飛輪小型化、便攜化的要求[4-7]。高強度、低密度的復合材料的發展才真正使車載飛輪電池的開發應用成為可能。但是復合材料技術門檻較高，復合材料制成的飛輪破壞機理復雜、材料性能數據分散系數大并且工藝不成熟，一定程度上阻礙了車載飛輪電池發展[8-9]。而在飛輪電池的其他應用場合比如電力儲能領域中，裝置系統不以高能量密度、高功率密度為目標，在該應用場合下，只要將飛輪設計的足夠大就可以達到儲能要求，此時飛輪材料選用金屬，發揮其技術成熟，成本低廉的優勢。因此，車載應場合和其它應用場合在進行飛輪設計和選擇有很大的區別。

2.2磁軸承支承技術

磁懸浮軸承是支承高速旋轉飛輪的重要部件，除了要承受飛輪轉子的重量外，還要承受因飛輪轉子中心偏離所導致的離心力及飛輪高速旋轉時陀螺效應產生的應力。對于車載飛輪電池來說，復雜的道路條件和頻繁的工況切換使得轉子的陀螺效應更加明顯，從而大大降低了飛輪電池-轉子的穩定裕度。因此，車載飛輪電池對磁軸承支承系統有更嚴苛的要求。另外，考慮到車載飛輪電池的應用場合，重量、尺寸和功率損耗也是磁軸承支承系統的關鍵設計參數。

表1介紹了無源磁軸承、有源磁軸承和混合磁軸承的原理和特性。無源磁軸缺乏主動控制能力，不適用于支承易失穩的轉子系統，而有源磁軸承功耗高的特點也有悖于磁軸承系統低功耗的要求。因而，結合了無源磁軸承和有源磁軸承優點的混合磁軸承是車載飛輪電池支承系統的首選。為了進一步降低磁軸承系統的能耗，減小磁軸承的重量和尺寸，提高磁軸承-轉子系統的穩定性，國內開展了對混合磁軸承的研究。

按照轉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/軸向復合磁軸承），而完整的磁軸承系統需使轉子的五自由度受控。文獻[10]中提出了一種大型磁懸浮控制力矩陀螺系統的設計方案，使用兩個帶有永磁體的混合徑向磁軸承和一個帶有永磁體的軸向磁軸承來支承高速轉子。帶有永磁體的徑向磁軸承和軸向磁軸承可降低功率損耗，實現主動控制能力。混合磁軸承雖然性能良好，但會導致結構笨重、復雜。徑向磁軸承和軸向磁軸承的的減重設計值得進一步研究。為了減小磁軸承系統的功率損耗和重量，文獻[11]將徑向磁軸承、軸向磁軸承和一個永磁體環相組成混合三自由度磁軸承合來產生偏置磁通，用兩個徑向/軸向復合磁軸承來穩定地支承高速轉子的五自由度。與文獻[10]的磁軸承方案相比，磁軸承系統重量由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%）。此結構性能優越，但仍存在缺陷，4極的徑向磁極需要4個直流功率放大器驅動，而直流功率放大器有體積大、成本高的劣勢。文獻[12]提出了一種三極徑向磁軸承，用2個直流功率放大器驅動，這在一定程度上減小了體積，降低了成本。文獻[13]提出了由三相功率逆變器驅動的三極徑向磁軸承，三相功率逆變器價格低、技術成熟。與四極徑向磁軸承相比，三相功率逆變器驅動的三極徑向磁軸承具有顯著的體積、成本和功耗優勢。針對立式飛輪電池，可利用不對稱氣隙，使偏置磁通在轉子鐵心上產生穩定的被動懸浮力平衡轉子的重力，降低懸浮功耗[14]。

在提高磁軸承-轉子系統的穩定性方面，文獻[15]中扁平的磁懸浮飛輪轉子有利于抑制陀螺效應，此時要求轉子極慣性矩/赤道慣性矩在1.4～2之間。圓柱形結構的磁軸承在轉子發生位移或偏轉時，會產生與轉子軸線平行的不平衡力加劇陀螺效應。為了進一步抑制陀螺效應，提高磁軸承-轉子系統的穩定性，文獻[16]提出了一種球形混合磁軸承，其3個平動自由度由6對定子磁極控制。每一對磁極都是互相垂直的，雖然這種球形結構幾乎避免了與轉子軸線平行的磁力，但其控制精度遠低于普通圓柱磁軸承，并且一個完全球形磁軸承（無軸拓撲）通常不適用于最流行的飛輪電池與軸拓撲。文獻[17]提出了一種支承車載輪電池的向心力式磁軸承，該結構不僅能減小非球面磁懸浮軸承在轉子做偏轉和偏移時產生的平行于轉子軸線的磁力，也解決了文獻[16]所提結構控制精度低，結構不具通用性的問題。圖1.1為向心力磁軸承的拓撲結構圖，球形的氣隙使轉子在偏移和偏轉時，磁力都會指向轉子中心，從而有效減少干擾力。

2.3 工況模型

由于車載飛輪電池的載體是運動的電動汽車，因此路面的狀況（如不平度）和汽車的運行工況（啟動、加速、減速、上坡、下坡、轉彎）等因素都會影響車載飛輪電池運行狀況。

普通飛輪電池的靜態應用場合，基礎固定情況下的磁懸浮-飛輪轉子的動態模型僅需考慮飛輪轉子高速旋轉下的動態平衡特性，而飛輪電池的車載應用場合，磁懸浮-飛輪轉子的動態模型不僅需要考慮飛輪轉子高速旋轉下的動態特性，還需考慮電動汽車的動力學特性。因而，轉子自身的動力學模型與汽車動力學模型的融合是在建立車載飛輪電池的工況模型過程中一個亟待解決的問題。胡業發和他的學生們就這個問題就行了初探索[18-20]。郝德清采用時域求解和拉氏變換求解分別對汽車振動系統和車載飛輪電池轉子振動系統作了推導，并在車載飛輪電池剛性轉子數學模型中加入了PD控制推導，在此基礎上，將車載飛輪電池置于車身質心，使飛輪電池與車身質心同時發生三自由度，很大程度上解決了工況模型與磁懸浮轉子動態模型數據融合問題[18]。盧聰慧利用ADAMS軟件對路面隨機激勵下車載盤狀磁懸浮轉子的振動進行了仿真研究，探索出了三種條件變化（包括：路面不平度、汽車懸架剛度化、盤狀磁懸浮轉子電磁力等效剛度）對車載盤狀磁懸浮轉子動力學特性的影響，為建立車載磁飛輪電池的工況模型深入優化奠定了理論基礎[19]。該關鍵技術的完善是飛輪電池的穩定控制的前提。

2.4小節及發展趨勢

真空技術、雙向變速的電機、現代控制技術等技術在飛輪電池的應用中已經有較大的發展。而特殊車載環境下的飛輪、支承系統、工況模型則是車載電池研制過程的關鍵點與難點。為了進一步提高車載飛輪電池的穩定性，降低車載飛輪電池的能耗，滿足車載工況小型化、輕型化的要求，需要在以下幾個方面開展研究。

1）研制集成度高、結構緊湊的飛輪電池來降低整體裝置的體積和質量，其中的磁軸承支承系統可采用單個五自由度磁軸承代替多個磁軸承組成的復合支承系統。突破“長軸”拓撲結構設計理念束縛，采用“短軸”或“盤式”拓撲結構，不僅能改善體積和質量，扁平化的轉子在一定程度上能夠抑制陀螺效應，實現飛輪轉子的穩定控制。

2）發展車載飛輪電池模塊化建設，根據車輛的功率需求組合單位飛輪電池。這種靈活的優勢在于即使車輛功率需求不同，也無需重新優化設計飛輪電池結構，只需調整單位飛輪電池的數量即可滿足不同需求，具有簡單、改動成本小的特點。

3）在飛輪電池結構中加入阻尼器，形成飛輪轉子-軸承-阻尼器系統的新結構，來解決車載飛輪電池系統易失穩問題，該創新為車載飛輪電池的結構改造提供了新思路。

3 結尾

隨著車載飛輪電池工業應用中關鍵技術（包括飛輪、磁懸浮支承系統、工況模型等）不斷的發展完善，它不僅能廣泛的作為混合動力汽車的輔助動力系統，也有希望單獨為電動汽車的動力系統供能。因此，研制高穩定性、低能耗并且能滿足小型化、輕型化應用要求的車載飛輪電池，既具有較高的理論價值，又具有較大的應用價值。

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作者簡介：殷福嘉（1995-）男，江蘇大學電氣信息工程學院碩士研究生，研究方向：飛輪電池的拓撲結構設計。