飛輪電池在混合動力電動汽車中的應(yīng)用
李紀(jì)剛，徐鵬云，秦紅星，趙樹鵬
(河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，河北保定071001)
摘要：介紹了飛輪電池的結(jié)構(gòu)、原理和特點，總結(jié)了應(yīng)用飛輪電池的電動汽車的發(fā)展歷程。著重研究了飛輪電池在混合動力電動汽車上的應(yīng)用，并就其相關(guān)因素對混合動力電動汽車的影響作了詳細(xì)分析，提出了解決方法。
關(guān)鍵詞：飛輪電池；電動汽車；混合動力
中圖分類號：TM34 文獻(xiàn)標(biāo)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(jīng)成為解決節(jié)能和環(huán)保問題切實可行的方案之一。要使HEV處于良好的工作狀態(tài)，必須采用能進(jìn)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(jīng)提出，便以其儲能密度高、體積小、質(zhì)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(yè)的廣泛關(guān)注，被認(rèn)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(yīng)用前景。
1飛輪電池的結(jié)構(gòu)、原理和特點
飛輪電池一般是由飛輪轉(zhuǎn)子、電動／發(fā)電機(jī)、磁軸承系統(tǒng)、電力電子變換裝置和真空容器等部分構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。
當(dāng)給飛輪電池充電時，集成的電動／發(fā)電機(jī)以電動機(jī)的形式運行，電能通過電力電子變換裝置從外部輸入，以驅(qū)動電動機(jī)帶動飛輪加速旋轉(zhuǎn)，從而完成電能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換過程，使能量以動能的形式存儲起來；當(dāng)外部負(fù)載需要能量時，飛輪電池就放電，此時電機(jī)處于發(fā)電機(jī)運行狀態(tài)，把飛輪存儲的動能通過電力電子變換裝置轉(zhuǎn)換成負(fù)載所需要的電能，完成機(jī)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(xué)電池、燃料電池和超導(dǎo)電池等儲能裝置的諸多優(yōu)點，主要表現(xiàn)在如下幾個方面：
(1)能量密度高：儲能密度可達(dá)100～200 wh／kg，功率密度可達(dá)5 000～lO 000 w／kg。
(2)能量轉(zhuǎn)換效率高：工作效率高達(dá)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(huán)境溫度沒有嚴(yán)格要求。
(5)使用壽命長：不受重復(fù)深度放電影響，能夠循環(huán)幾百萬次運行，預(yù)期壽命20年以上。
(6)低損耗、低維護(hù)：磁懸浮軸承和真空環(huán)境使機(jī)械損耗可以被忽略，系統(tǒng)維護(hù)周期長。
儲能飛輪支承系統(tǒng)飛輪蓄能發(fā)電設(shè)備的旋轉(zhuǎn)摩擦損耗較大，為了減少旋轉(zhuǎn)摩擦損耗，所以現(xiàn)在一般都采用磁懸浮軸承。磁懸浮軸承是飛輪儲能系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。
電動／發(fā)電機(jī)為了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及降低功耗，故將電動／發(fā)電機(jī)與飛輪本體做成一體。目前國內(nèi)外廣泛采用永磁無刷直流電動／發(fā)電機(jī)互逆式雙向一體化電機(jī)。無刷直流電動機(jī)具有直流電動機(jī)的機(jī)械特性，在結(jié)構(gòu)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(yīng)用。電機(jī)轉(zhuǎn)子選用釹鐵硼永磁磁鐵，使得電機(jī)／發(fā)電機(jī)的體積、重量大大減小。
(7)對環(huán)境無危害：無任何有毒材料，對環(huán)境幾乎無污染。
2飛輪電池在汽車上的應(yīng)用概況
20世紀(jì)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(fā)出車載內(nèi)燃機(jī)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(bǔ)充內(nèi)燃機(jī)的功率要求，可以使內(nèi)燃機(jī)工作在****的工況下，既節(jié)能又提高了機(jī)器壽命。
1992年美國飛輪系統(tǒng)公司(AFs)獲得了飛輪電池的專利，隨后采用Kevlar纖維復(fù)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(zhuǎn)變?yōu)槊扌鯛罱Y(jié)構(gòu)，且飛輪外有金屬外殼，對車內(nèi)成員不構(gòu)成威脅。改裝后的電動汽車一次充電行駛距離為600 km。其加速性能從零到96 km／h僅需6．5 s。而日本研制的飛輪電池****轉(zhuǎn)速為3．6 x lO4r／min，一次充電行駛距離為480～640 km[3]。
我國對飛輪電池技術(shù)的研究剛剛起步，電動汽車用飛輪電池還處于理論論證以及模仿國外產(chǎn)品的階段。近幾年來，清華大學(xué)、中科院電工研究所、西安交通大學(xué)、華中科技大學(xué)、武漢理工大學(xué)等科研單位都開展了飛輪電池的研制，并取得了一定的成果[4]。
3飛輪電池在唧V上的應(yīng)用及關(guān)鍵技術(shù)研究
3．1飛輪電池在HEV上的應(yīng)用
應(yīng)用飛輪電池的HEV傳動系統(tǒng)主要由發(fā)動機(jī)、飛輪電池、離合器、增速齒輪、無線變速器(cVT)和驅(qū)動橋等組成，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。
發(fā)動機(jī)用來提供驅(qū)動汽車的主要動力，飛輪電池用來回收制動能量以及作為負(fù)荷平衡裝置為發(fā)動機(jī)提供輔助的功率來滿足峰值功率要求。汽車正常行駛時匿性很大、速度較高，所以具有很高的可逆能量-動能，因此車輛制動過程中，通過控制cVT，可以用高速儲能飛輪將其回收，并在起步或加速過程中釋放出去，從而既減少了能源浪費又提高了車輛性能。
飛輪電池在混合動力驅(qū)動系統(tǒng)中可以起到以下兩個方面的主要作用：
(1)穩(wěn)定主動力源的功率輸出。在混合動力汽車起步、爬坡和加速時，飛輪電池能夠快速、大能量的放電，為主動力源提供輔助動力，并減少主動力源的動力輸出損耗。
(2)提高能量回收的效率。在混合動力電動汽車下坡、滑行和制動時，飛輪電池能夠快速、大量的存儲動能，充電速度不受“活性物質(zhì)”化學(xué)反應(yīng)速度的影響，可提高再生制動時能量回收的效率。
3．2關(guān)鍵技術(shù)分析與研究
3．2．1飛輪轉(zhuǎn)子的分析與選擇
飛輪可分為剛性和柔性兩種類型。柔性飛輪可以通過自身的變形來消除偏心誤差，在高速旋轉(zhuǎn)過程中能自動定心，結(jié)構(gòu)較安全，運轉(zhuǎn)較穩(wěn)定。剛性轉(zhuǎn)子由于設(shè)計和加工誤差，轉(zhuǎn)動過程中，無法通過自身的結(jié)構(gòu)保持飛輪的動平衡，加工難度大，安全性差。
對于一個薄壁圓環(huán)形的飛輪轉(zhuǎn)子，它所儲存的能量與材料的許用應(yīng)力的關(guān)系為：
式中：E——飛輪的動能；
m——薄壁圓環(huán)的質(zhì)量；
r——圓環(huán)的旋轉(zhuǎn)半徑；
m——飛輪旋轉(zhuǎn)角速度；
I——飛輪的轉(zhuǎn)動慣量；
[σ]——飛輪材料的許用應(yīng)力；
p——飛輪材料的密度。
對于結(jié)構(gòu)、幾何尺寸一定的飛輪，其儲能密度由下式確定：
式中：Ks——由飛輪的斷面形狀決定的形狀系數(shù)。
由以上兩式可知，要想獲得較大的能量和較高的儲能密度，須選用高比強(qiáng)度  的玻璃纖維或碳素纖維復(fù)合材料來制作飛輪轉(zhuǎn)子。 3．2．2飛輪陀螺效應(yīng)
車輛行駛時飛輪軸方位的改變會引起高速飛輪的陀螺效應(yīng)。當(dāng)飛輪軸與地面平行放置時，汽車行駛方向的不斷變化會使飛輪軸被迫進(jìn)動而產(chǎn)生陀螺扭矩；而當(dāng)飛輪軸與地面垂直放置時，系統(tǒng)會因車輛行駛時的前俯后仰而引起陀螺扭矩。
對于轉(zhuǎn)動慣量為I的飛輪，將在約束上產(chǎn)生附加陀螺力矩，其大小為：
式中：ω——飛輪的旋轉(zhuǎn)角速度矢量(md／s)；
Ω——飛輪軸的進(jìn)動角速度矢量(rad／s)。
陀螺效應(yīng)可能使軸承等機(jī)器零件的附加壓力過大而破壞，也可能使系統(tǒng)產(chǎn)生振動。因此，對于常行駛在迂回曲折道路上的車輛應(yīng)當(dāng)盡量避免采取飛輪軸與地面平行放置的方式，對于常行駛在起伏不平路上的車輛應(yīng)盡量避免采用飛輪軸與地面垂直放置的形式。
飛輪的陀螺效應(yīng)能夠設(shè)法減輕，但不能做到車輛在各種行駛狀況下均消除。所以在實際應(yīng)用中，既要考慮飛輪電池的安裝位置，又要考慮車輛行駛時的道路條件。
3.2．3飛輪電池的效率特性
車輛制動時，飛輪電池回收的能量使飛輪轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，從而帶動飛輪離合器的從動片、飛輪軸等件以同一轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，組件周圍的空氣呈現(xiàn)復(fù)雜的三維流動，損失的能量與飛輪殼體內(nèi)部的幾何參數(shù)、飛輪轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)動慣量及空氣物理性質(zhì)等因素息息相關(guān)；軸承的摩擦損耗與軸承的形式、潤滑條件等因素有關(guān)，它們都呈現(xiàn)明顯的非線性。
在車輛工作狀況既定的情況下，飛輪電池的損失扭矩為T(ω，f)，損失功率為P(ω，t)、功率損失率為η(ψ，t)，其中t是高速儲能飛輪的工作時間。
高速飛輪單位時間內(nèi)損失的能量與其所具有的能量之比(即功率損失率)為：
隨著飛輪轉(zhuǎn)予轉(zhuǎn)速的升高，飛輪殼體內(nèi)部的空氣阻扭矩會急劇變大，而軸承的動摩擦扭矩會緩慢變小，當(dāng)其轉(zhuǎn)速達(dá)到一定值時又基本上保持不變。因此，飛輪電池的損失扭矩、損失功率會隨著飛輪轉(zhuǎn)速的升高而增大，隨著工作時間的延長而減小，其功率損失率則隨轉(zhuǎn)速的升高而減小、隨著工作時間的延長而增加。
為了提高飛輪電池的工作效率，可以采用磁懸浮軸承代替一般軸承，用真空容器來承載飛輪電池，保持其工作環(huán)境的真空度等方法來減小軸承處的摩擦及空氣的阻力，以降低系統(tǒng)的能量損失[5]。
4結(jié)語
隨著飛輪電池技術(shù)的不斷更新和完善，它將廣泛應(yīng)用在混合動力電動汽車上，以至更多地應(yīng)用于純電動汽車。除此之外，飛輪電池還在航空航天(姿態(tài)控制)、電力(電力調(diào)峰)、通信(uPs)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。因此，研制高效節(jié)能的飛輪電池，既具有較高的理論價值，又具有較大的應(yīng)用價值。
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