飛輪儲(chǔ)能技術(shù)及在汽車上應(yīng)用的仿真分析

孫中鑫，儲(chǔ)江偉*，李嘉鵬，李洪亮，張新賓

(1.東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，哈爾濱 150040；2.哈爾濱艾瑞汽車排氣系統(tǒng)有限公司，哈爾濱，150000)

飛輪儲(chǔ)能技術(shù)是一種機(jī)械式的儲(chǔ)能技術(shù)，具有易于控制、長(zhǎng)壽命、低損耗等優(yōu)勢(shì)，如果能夠替代燃油在汽車領(lǐng)域應(yīng)用，將能有效地減少石油能源消耗和降低環(huán)境污染的壓力，推動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[1]。對(duì)于飛輪儲(chǔ)能裝置在汽車中的應(yīng)用方面，應(yīng)致力于解決飛輪的穩(wěn)定性問(wèn)題和尋找減小損耗的方法。因此在飛輪的選材和幾何形狀設(shè)計(jì)上需考慮到汽車獨(dú)有的外形特點(diǎn)及運(yùn)行特性。本論文分析了儲(chǔ)能飛輪轉(zhuǎn)子的材料強(qiáng)度、尺寸結(jié)構(gòu)對(duì)汽車儲(chǔ)能效果的影響，并利用動(dòng)力學(xué)仿真軟件模擬以飛輪儲(chǔ)能驅(qū)動(dòng)車輛的運(yùn)行狀況，進(jìn)而完善飛輪儲(chǔ)能裝置在汽車上的應(yīng)用。

1 飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的特點(diǎn)

1.1 飛輪儲(chǔ)能原理

飛輪儲(chǔ)能是指以高速旋轉(zhuǎn)的飛輪為載體、將能量以動(dòng)能的形式儲(chǔ)存起來(lái)。飛輪儲(chǔ)能裝置主要由飛 輪、發(fā)電機(jī)/電動(dòng)機(jī)、電子控制設(shè)備組成。當(dāng)飛輪儲(chǔ)能時(shí)，電能通過(guò)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)飛輪逐漸快速地旋轉(zhuǎn)起來(lái)，能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能儲(chǔ)存在高速旋轉(zhuǎn)的飛輪中。當(dāng)外界需要能量時(shí)，飛輪通過(guò)發(fā)電機(jī)將自身的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能向外界輸出。飛輪儲(chǔ)能裝置工作原理的示意圖如圖1所示[2]。

圖1 飛輪儲(chǔ)能的工作原理圖

1.2 飛輪儲(chǔ)能的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

為了汽車產(chǎn)業(yè)可持續(xù)的發(fā)展，尋求新能源技術(shù)代替原有的燃油供能是必然的趨勢(shì)。目前所研究出的可以代替燃油為汽車供能的技術(shù)主要有：①鉛酸電池、鎳鎘電池等化學(xué)蓄電池；②將能量存儲(chǔ)于超導(dǎo)線圈磁場(chǎng)中，通過(guò)電磁轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)充放電的超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置；③將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的燃料電池(主要以氫作為燃料)；④利用機(jī)械能與電能相互轉(zhuǎn)化以實(shí)現(xiàn)充放電的飛輪儲(chǔ)能裝置。這幾種儲(chǔ)能裝置相對(duì)應(yīng)的性能指標(biāo)比較，見(jiàn)表1。

由表1可知，飛輪儲(chǔ)能裝置與其他儲(chǔ)能裝置相比較具有：工作溫度范圍寬，對(duì)環(huán)境沒(méi)有嚴(yán)格的要求；使用壽命長(zhǎng)，不受重復(fù)深度放電影響，能夠循環(huán)幾百萬(wàn)次運(yùn)行；低損耗、系統(tǒng)維護(hù)周期長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)[3-4]。在新興的儲(chǔ)能技術(shù)中，飛輪儲(chǔ)能技術(shù)因?yàn)閾碛袀鹘y(tǒng)化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)被人們所廣泛地認(rèn)同。

飛輪儲(chǔ)能技術(shù)在汽車上的應(yīng)用具有如下的優(yōu)勢(shì)[5]。

(1)制動(dòng)能量可以充分被利用。飛輪裝置將車輛在制動(dòng)時(shí)損耗一部分能量存儲(chǔ)起來(lái)，當(dāng)需要時(shí)再加以利用，從而提高了能量利用率。

(2)車輛具有更大的牽引力。在車輛啟動(dòng)或爬坡時(shí)，飛輪裝置能夠提供額外的動(dòng)力補(bǔ)償，從而提高車輛動(dòng)力性。

(3)提高了供電的持續(xù)穩(wěn)定性。當(dāng)車輛電路系統(tǒng)因故障斷電時(shí)，該裝置可以提供短時(shí)的電能，從而使供電系統(tǒng)更具有可靠性。

2 國(guó)內(nèi)外應(yīng)用研究概況

2.1 以飛輪儲(chǔ)能作為動(dòng)力

瑞士歐瑞康公司(Oerlikon)曾研發(fā)出一輛完全由飛輪儲(chǔ)能裝置供能的公交車。儲(chǔ)能裝置的飛輪直徑為1.63 m，重量達(dá)到1 500 kg；為降低風(fēng)損將飛輪設(shè)置在密閉環(huán)境中，以3 000 r/min的速度運(yùn)行。該公交車可承載乘客70人，每行駛0.8 km需給飛輪裝置充電2 min。

美國(guó)飛輪系統(tǒng)公司(AFS)研制的適用于汽車的飛輪電池。其總長(zhǎng)為18 cm，直徑為23 cm。每節(jié)電池核心是一個(gè)以2×103r/min旋轉(zhuǎn)的碳纖維飛輪轉(zhuǎn)子。將12節(jié)電池并串聯(lián)，可使車輛在8 s內(nèi)由靜止加速至100 km/h，并以100 km/h的平均速度行駛，其里程可達(dá)480 km。

美國(guó)德克薩斯州大學(xué)(Texas)研究出可應(yīng)用于電動(dòng)汽車、戰(zhàn)斗車輛的飛輪電池，其儲(chǔ)存能量為2 kwh，功率可達(dá)到100～150 kw，而其運(yùn)行時(shí)每小時(shí)的能量損失只有1%[6-9]。

2.2 以飛輪儲(chǔ)能作為輔助動(dòng)力

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)可以輔助內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛運(yùn)行。使汽車具有低燃耗、低排放、高經(jīng)濟(jì)性、續(xù)駛里程長(zhǎng)等特點(diǎn)。美國(guó)羅森汽車公司(Rosen motor)研制出功率為3kW的渦輪發(fā)電機(jī)和飛輪儲(chǔ)能裝置驅(qū)動(dòng)的汽車系統(tǒng)，可儲(chǔ)存能量1kWh。道路試驗(yàn)證明，裝有該系統(tǒng)的汽車從靜止加速至100 km/s僅需6 s[10]。

2.3 以飛輪儲(chǔ)能方式回收能量

英國(guó)Flybird Systems將飛輪儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用于汽車輔助驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，飛輪由碳纖維材料制成，系統(tǒng)總重24 kg，工作轉(zhuǎn)速35 000 r/min，凈產(chǎn)能量達(dá)到400 KJ，可將汽車制動(dòng)時(shí)的70%能量回收。日本研制出一款電動(dòng)汽車，它可使飛輪電池回收車輛制動(dòng)時(shí)的動(dòng)能，飛輪最高轉(zhuǎn)速為36 000 r/min，試驗(yàn)過(guò)程中動(dòng)能電能轉(zhuǎn)化率達(dá)到85%。

沃爾沃公司的飛輪系統(tǒng)(KERS)已投入路試，該系統(tǒng)的碳纖維飛輪重量只有6 kg，直徑20 cm，與后輪組合安裝。當(dāng)汽車制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)能量以動(dòng)能形式存儲(chǔ)于飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中，飛輪最高轉(zhuǎn)速可達(dá)60 000 r/min。當(dāng)車加速時(shí)，飛輪系統(tǒng)將通過(guò)無(wú)級(jí)變速機(jī)構(gòu)將動(dòng)能傳送給后輪。因?yàn)閯?dòng)能回收的時(shí)間短，更適合城市中車輛間歇運(yùn)行的環(huán)境。預(yù)計(jì)在通常的行車環(huán)境下，配備了飛輪動(dòng)能回收系統(tǒng)的車輛，其發(fā)動(dòng)機(jī)將有一半時(shí)間都處于停息狀態(tài)[11-12]。

蘇州大學(xué)研究設(shè)計(jì)出的飛輪儲(chǔ)能裝置，用于回收公交汽車在制動(dòng)時(shí)的能量，并將其應(yīng)用在汽車的下一次起步過(guò)程中，因此節(jié)約了燃油消耗，同時(shí)降低了汽車尾氣的排放量[13]。

3 飛輪儲(chǔ)能量相關(guān)影響因素分析

3.1 飛輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)

由飛輪儲(chǔ)能裝置原理可知，能量以機(jī)械能即飛輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的動(dòng)能形式儲(chǔ)存在裝置中。對(duì)于旋轉(zhuǎn)體而言，其能量公式為：

(1)

式中：E為飛輪旋轉(zhuǎn)時(shí)具有的能量，J；I為飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；ω為飛輪的角速度，rad/s。

由上式可知，提高飛輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及飛輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速可使飛輪可存儲(chǔ)能量增大。其飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算公式為：

。

(2)

式中：m為飛輪質(zhì)量，kg；r為飛輪盤的半徑，m。

由m=ρπhr2代入(2)式，得

(3)

式中：h為飛輪轉(zhuǎn)子的厚度，m。

由公式知，飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量主要由飛輪轉(zhuǎn)子的半徑所決定，當(dāng)飛輪轉(zhuǎn)子的材料及厚度確定時(shí)，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與飛輪轉(zhuǎn)子的半徑的四次方成正比。由于車載重量和空間有限，所以在要求飛輪裝置儲(chǔ)能量大的同時(shí)，還要具有質(zhì)量輕，體積小的特點(diǎn)。若飛輪轉(zhuǎn)子的質(zhì)量與汽車的整備質(zhì)量之比超過(guò)0.15，則會(huì)導(dǎo)致汽車在運(yùn)行時(shí)能量的過(guò)度消耗。一般家用轎車整備質(zhì)量約為1 500 kg，所以限制飛輪轉(zhuǎn)子的最大質(zhì)量為150 kg。

圖2 轉(zhuǎn)子厚度-半徑-轉(zhuǎn)動(dòng)慣量關(guān)系

當(dāng)飛輪轉(zhuǎn)子的厚度分別為0.02、0.04、0.06 m時(shí)，飛輪轉(zhuǎn)盤的半徑及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量值如圖2所示。由圖可知飛輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量主要受轉(zhuǎn)子的半徑影響，所以飛輪盤在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該增大半徑，減小厚度以滿足儲(chǔ)能需求。

3.2 飛輪的幾何形狀

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)達(dá)到體積小，質(zhì)量輕，結(jié)構(gòu)緊湊，制造簡(jiǎn)單，成本低，安裝方便的特點(diǎn)，并且要儲(chǔ)存足夠的能量。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的核心是飛輪轉(zhuǎn)子，因此飛輪轉(zhuǎn)子的材料強(qiáng)度及轉(zhuǎn)子的幾何形狀對(duì)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)可存儲(chǔ)多少的能量起主要決定性作用。飛輪轉(zhuǎn)子的儲(chǔ)能密度公式為：

Em=K0σ/ρ。

(4)

式中：Em為飛輪轉(zhuǎn)子的儲(chǔ)能密度，wh/kg；K0為飛輪轉(zhuǎn)子的形狀影響因數(shù)；σ為飛輪轉(zhuǎn)子許用應(yīng)力，GPa；ρ為飛輪轉(zhuǎn)子的密度，kg/m3。

目前，應(yīng)用較多的飛輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)主要有環(huán)形、實(shí)心圓盤、等應(yīng)力圓盤等。以鋼鐵材料為例，當(dāng)材料以0.3的泊松比均勻分布且飛輪轉(zhuǎn)子的厚度小于飛輪轉(zhuǎn)子的直徑時(shí)，不同幾何形狀的飛輪轉(zhuǎn)子的影響因數(shù)K0比較見(jiàn)表2。

表2 飛輪轉(zhuǎn)子形狀影響因數(shù) 的比較

由表2可知，多種幾何形狀比較下，盤狀飛輪轉(zhuǎn)子的形狀影響因數(shù)K0最大，可達(dá)到的儲(chǔ)能密度最高。但對(duì)于三維空間上的物體來(lái)說(shuō)，材料應(yīng)力會(huì)在空間的三個(gè)維度上有相互作用，若轉(zhuǎn)子由各向異性材料如碳纖維復(fù)合材料構(gòu)成，則交互作用的應(yīng)力將可能限制材料的實(shí)際尺寸并且降低了飛輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的安全性。環(huán)盤形轉(zhuǎn)子受到材料應(yīng)力在三維空間交互作用最小，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便，儲(chǔ)能影響因數(shù)較高。因此環(huán)盤形轉(zhuǎn)子比較適合選作為飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子[14-15]。

3.3 飛輪的材料強(qiáng)度

由旋轉(zhuǎn)體能量公式可知，飛輪轉(zhuǎn)子的可儲(chǔ)存能量值與飛輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速平方成正比。因此提高飛輪轉(zhuǎn)速可使飛輪儲(chǔ)能量增大，但過(guò)高的轉(zhuǎn)速會(huì)導(dǎo)致飛輪轉(zhuǎn)子所承受的離心力過(guò)大，從而造成飛輪的解體，這就需要對(duì)飛輪內(nèi)部應(yīng)力進(jìn)行分析。先將飛輪轉(zhuǎn)子簡(jiǎn)化為等厚度、軸對(duì)稱式圓盤，再采用解析法進(jìn)行分析處于平面應(yīng)力作用下的飛輪轉(zhuǎn)子。

對(duì)于僅受徑向慣性載荷作用的飛輪轉(zhuǎn)子，其徑向應(yīng)力為：

(5)

環(huán)向應(yīng)力為：

(6)

式中：λ=(Eθ/Er)1/2；Eθ為縱向彈性模量；Er為橫向彈性模量；k=ri/r0圓環(huán)內(nèi)外半徑比；μ為泊松比。

由上式表明，飛輪轉(zhuǎn)子的所受徑向應(yīng)力與環(huán)向應(yīng)力都和飛輪轉(zhuǎn)速的平方成正比，且旋轉(zhuǎn)時(shí)由于離心力作用向半徑方向膨脹，飛輪轉(zhuǎn)子的徑向應(yīng)力的最大值位于中部附近，環(huán)向應(yīng)力在材料各向同性時(shí)最大值位于內(nèi)半徑處。所以若要飛輪轉(zhuǎn)子能夠以較高轉(zhuǎn)速運(yùn)行，必須要考慮材料的強(qiáng)度。目前應(yīng)用較多的材料主要有以高強(qiáng)度合金鋼等金屬材料為代表的傳統(tǒng)的飛輪制造材料和玻璃纖維、碳纖維、光譜纖維等復(fù)合材料。其性質(zhì)比較見(jiàn)表3。

表3 飛輪轉(zhuǎn)子材料基本數(shù)據(jù)

飛輪轉(zhuǎn)子材料的選擇十分重要，當(dāng)飛輪轉(zhuǎn)子作為儲(chǔ)能構(gòu)件時(shí)，需要極高的轉(zhuǎn)速，目前轉(zhuǎn)速最高的已經(jīng)達(dá)到每分鐘幾十萬(wàn)轉(zhuǎn)，其邊緣線速度甚至超過(guò)音速，大多數(shù)金屬材料的強(qiáng)度不能滿足要求，而碳纖維或玻璃纖維這種高強(qiáng)度新型材料的出現(xiàn)恰好滿足了飛輪轉(zhuǎn)子對(duì)材料強(qiáng)度的需求[16-19]。

4 飛輪儲(chǔ)能為動(dòng)力的汽車運(yùn)行仿真分析

4.1 飛輪儲(chǔ)能裝置及與仿真相關(guān)的技術(shù)參數(shù)

以最大限度的使飛輪儲(chǔ)能裝置具有轉(zhuǎn)速高，尺寸小，功率大的設(shè)計(jì)原則為基準(zhǔn)，且考慮到制造成本及車輛的承載能力等因素，故選用碳素鋼作為飛輪轉(zhuǎn)子的材料。轉(zhuǎn)子密度ρ為7.85×103kg/m3，平均厚度h為0.04 m，半徑r為0.3 m，最高轉(zhuǎn)速n為3000 r/min，工作時(shí)可存儲(chǔ)能量約為3×105J。

將飛輪儲(chǔ)能裝置安裝在一款電動(dòng)觀光旅游車上。觀光旅行車一般用于游園內(nèi)，具有運(yùn)行里程較短，充電便利，啟動(dòng)駐車頻率較高等運(yùn)行特點(diǎn)，適于利用飛輪儲(chǔ)能裝置為其供能。與模擬仿真相關(guān)的主要參數(shù)為：該車的總質(zhì)量m為1.4 t，可承載乘客8人，迎風(fēng)面積A為2.2 m2。

4.2 仿真軟件

運(yùn)用Adams運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真軟件，對(duì)安裝有飛輪儲(chǔ)能裝置汽車的運(yùn)行狀況進(jìn)行建模仿真分析。Adams是一款機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析軟件，該軟件使用交互式圖形環(huán)境和零件庫(kù)、約束庫(kù)、力庫(kù)，能夠創(chuàng)建完全參數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)幾何模型。其求解器可建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程，能夠?qū)μ摂M的機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，從而輸出運(yùn)動(dòng)速度、位移等曲線[20-21]。

4.3 仿真模型建立

在飛輪儲(chǔ)能模型中，所有的實(shí)體均按剛體處理，總體簡(jiǎn)化模型如圖3所示

圖3 Adams創(chuàng)建的結(jié)構(gòu)仿真模塊

由飛輪的儲(chǔ)能原理可知，若要使飛輪儲(chǔ)能裝置獲得能量，需通過(guò)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)飛輪轉(zhuǎn)子獲取動(dòng)力。故對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸模塊設(shè)置初始角速度，與轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力。當(dāng)飛輪處于儲(chǔ)能過(guò)程時(shí)，離合器將電動(dòng)機(jī)與增速器相連接，即應(yīng)用固定副將兩者進(jìn)行約束。增速器將電動(dòng)機(jī)傳遞出的扭矩降低，速度增加進(jìn)而帶動(dòng)飛輪逐漸高速運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)。利用轉(zhuǎn)速傳感器檢測(cè)電動(dòng)機(jī)及飛輪的轉(zhuǎn)速。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定值時(shí)使固定副失效，此時(shí)電動(dòng)機(jī)與增速器解鎖分離。

當(dāng)飛輪儲(chǔ)能裝置處于釋放能量過(guò)程中時(shí)，應(yīng)用固定副將飛輪轉(zhuǎn)子與減速器相連。減速器減速增扭將動(dòng)力傳遞給發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能經(jīng)電控原件轉(zhuǎn)換，傳遞給汽車發(fā)電機(jī)，進(jìn)而帶動(dòng)汽車車輪旋轉(zhuǎn)。設(shè)置傳感器對(duì)飛輪剩余能量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)飛輪剩余能量低于90%，停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

經(jīng)過(guò)以上的建模過(guò)程，利用飛輪儲(chǔ)能裝置及所應(yīng)用的汽車參數(shù)，對(duì)整個(gè)模型進(jìn)行仿真分析。

4.4 仿真計(jì)算及結(jié)果

假設(shè)該游覽車在水平路面上行駛，由靜止加速至車速15 km/h，后以車速ua為15 km/h勻速行駛，滾動(dòng)阻力系數(shù)f為0.01，傳動(dòng)效率ηt為0.9，承載8人時(shí)車體總重量G為1.4×104，迎風(fēng)面積A為2.2 m2，空氣阻力系數(shù)CD為0.3。根據(jù)功率計(jì)算公式：

(7)

可知汽車的行駛功率，通過(guò)Adams軟件對(duì)動(dòng)力傳遞系統(tǒng)建模，并對(duì)運(yùn)行狀況進(jìn)行仿真模擬，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)在放電時(shí)，飛輪轉(zhuǎn)子的剩余能量和汽車行駛里程如圖4、圖5所示。

圖4 汽車運(yùn)行時(shí)飛輪剩余能量

當(dāng)汽車由靜止逐漸加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，飛輪消耗的能量隨汽車的速度增加而加大。行使的路程也呈拋物線形上升。當(dāng)汽車加速至15 km/h后，汽車以勻速運(yùn)動(dòng)，飛輪剩余能量隨時(shí)間直線降低，汽車在路面上勻速直線運(yùn)動(dòng)。當(dāng)飛輪的剩余能量低于10%后，飛輪停止向汽車供能。此時(shí)汽車的運(yùn)行路程約為1.1 km。

圖5 汽車行駛路程與時(shí)間關(guān)系

5 結(jié)束語(yǔ)

飛輪儲(chǔ)能裝置在汽車領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，它能夠有效地提高汽車的經(jīng)濟(jì)性與動(dòng)力性。飛輪儲(chǔ)能裝置具有很多其他儲(chǔ)能裝置無(wú)法比擬的優(yōu) 點(diǎn)。目前很多工業(yè)強(qiáng)國(guó)都在開(kāi)展飛輪儲(chǔ)能的研究。

在飛輪轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)上，應(yīng)選用環(huán)形轉(zhuǎn)子；在飛輪轉(zhuǎn)子的選材方面，碳纖維材料具有儲(chǔ)能密度高，耐高溫，比重小等優(yōu)勢(shì)。本文還運(yùn)用Adams軟件對(duì)其飛輪儲(chǔ)能汽車的運(yùn)行做了仿真模擬，分析了飛輪儲(chǔ)能裝置的應(yīng)用可行性。

【參 考 文 獻(xiàn)】

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