飞轮电池在混合动力电动汽车中的应用

李纪刚，徐鹏云，秦红星，赵树鹏

  (河北农业大学，河北保定071001)

   摘要：介绍了飞轮电池的结构、原理和特点，总结了应用飞轮电池的电动汽车的发展历程。着重研究了飞轮电池在混合动力电动汽车上的应用，并就其相关因素对混合动力电动汽车的影响作了详细分析，提出了解决方法。

  关键词：飞轮电池；电动汽车；混合动力

  中图分类号：TM34  文献标识码：A  文章编号：1004—7018(2008)06—0058一03

0引  言

    目前，混合动力电动汽车(以下简称HEV)已经成为解决节能和环保问题切实可行的方案之一。要使HEV处于良好的工作状态，必须采用能进行大电流充放电且具有高比功率、长寿命、低损耗的储能装置。飞轮电池的概念一经提出，便以其储能密度高、体积小、质量轻、充电快、寿命长、无任何废气废料污染等特点，引起了混合动力电动汽车行业的广泛关注，被认为是近期最有希望和最有竞争力的储能装置，有着非常广阔的应用前景。

1飞轮电池的结构、原理和特点

    飞轮电池一般是由飞轮转子、电动／发电机、磁轴承系统、电力电子变换装置和真空容器等部分构成，结构如图1所示。

当给飞轮电池充电时，集成的电动／发电机以电动机的形式运行，电能通过电力电子变换装置从外部输入，以驱动电动机带动飞轮加速旋转，从而完成电能到机械能的转换过程，使能量以动能的形式存储起来；当外部负载需要能量时，飞轮电池就放电，此时电机处于发电机运行状态，把飞轮存储的动能通过电力电子变换装置转换成负载所需要的电能，完成机械能到电能的释放。

    表1列出了几种车用电池的性能比较^[1]。从中

可以看出飞轮电池兼顾了化学电池、燃料电池和超导电池等储能装置的诸多优点，主要表现在如下几个方面：

    (1)能量密度高：储能密度可达100～200 wh／kg，功率密度可达5 000～lO 000 w／kg。

    (2)能量转换效率高：工作效率高达百分之90。

    (3)体积小、重量轻：飞轮直径约二十多厘米，总重在十几千克左右。

    (4)工作温度范围宽：对环境温度没有严格要求。

    (5)使用寿命长：不受重复深度放电影响，能够循环几百万次运行，预期寿命20年以上。

    (6)低损耗、低维护：磁悬浮轴承和真空环境使机械损耗可以被忽略，系统维护周期长。

  储能飞轮支承系统飞轮蓄能发电设备的旋转摩擦损耗较大，为了减少旋转摩擦损耗，所以现在一般都采用磁悬浮轴承。磁悬浮轴承是飞轮储能系统的关键部件。

    电动／发电机为了系统结构及降低功耗，故将电动／发电机与飞轮本体做成一体。目前国内外广泛采用永磁无刷直流电动／发电机互逆式双向一体化电机。无刷直流电动机具有直流电动机的机械特性，在结构上摒弃了电刷和整流子，因而寿命长，使用可靠，消除接触换向带来的噪声和电磁干扰。由于功耗还取决于电枢电阻、涡流电流和磁滞损耗，因此无铁静子获得广泛应用。电机转子选用钕铁硼永磁磁铁，使得电机／发电机的体积、重量大大减小。

    (7)对环境无危害：无任何有毒材料，对环境几乎无污染。

2飞轮电池在汽车上的应用概况

    20世纪80年代初，瑞士OerIikon Energy公司研制成功了完全由飞轮供能的第一辆公共汽车，飞轮直径1．63 m，重1．5 t，该车可载乘客70名，行程大约O．8 km，在每一停靠站停车时，飞轮将需要充电2 min^[2]。

    1987年德国首次开发出车载内燃机一飞轮电池混合动力电动汽车，飞轮吸收汽车制动时百分之90的能量，并在需要短时加速时释放出来以补充内燃机的功率要求，可以使内燃机工作在****的工况下，既节能又提高了机器寿命。

    1992年美国飞轮系统公司(AFs)获得了飞轮电池的专利，随后采用Kevlar纤维复合材料制作飞轮，成功地把一辆克莱斯勒LHS轿车改装为飞轮电池轿车AFS20。即使万一高速下破裂，飞轮立即转变为棉絮状结构，且飞轮外有金属外壳，对车内成员不构成威胁。改装后的电