飛輪電池在混合動(dòng)力電動(dòng)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(diǎn)，總結(jié)了應(yīng)用飛輪電池的電動(dòng)汽車的發(fā)展歷程。著重研究了飛輪電池在混合動(dòng)力電動(dòng)汽車上的應(yīng)用，并就其相關(guān)因素對混合動(dòng)力電動(dòng)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(dòng)汽車；混合動(dòng)力
中圖分類號(hào)：TM34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004—7018(2008)06—0058一03
0引 言
目前，混合動(dòng)力電動(dòng)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(shí)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(chǔ)能裝置。飛輪電池的概念一經(jīng)提出，便以其儲(chǔ)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(diǎn)，引起了混合動(dòng)力電動(dòng)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(chǔ)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(diǎn)
飛輪電池一般是由飛輪轉(zhuǎn)子、電動(dòng)／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(shí)，集成的電動(dòng)／發(fā)電機(jī)以電動(dòng)機(jī)的形式運(yùn)行，電能通過電力電子變換裝置從外部輸入，以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)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(dòng)能的形式存儲(chǔ)起來；當(dāng)外部負(fù)載需要能量時(shí)，飛輪電池就放電，此時(shí)電機(jī)處于發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，把飛輪存儲(chǔ)的動(dòng)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(chǔ)能裝置的諸多優(yōu)點(diǎn)，主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：
(1)能量密度高：儲(chǔ)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(yùn)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(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。
電動(dòng)／發(fā)電機(jī)為了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及降低功耗，故將電動(dòng)／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(dòng)／發(fā)電機(jī)互逆式雙向一體化電機(jī)。無刷直流電動(dòng)機(jī)具有直流電動(dòng)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�？空就＼嚂r(shí)，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(dòng)力電動(dòng)汽車，飛輪吸收汽車制動(dòng)時(shí)百分之90的能量，并在需要短時(shí)加速時(shí)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 |
