基于磁懸浮電機的飛輪電池系統(tǒng)研究

蘇伯凱

摘 要：為提高電動汽車動力電池性能，在其基礎(chǔ)上增加一個飛輪電池作為輔助電源，可以極大地提高動力電池的充放電特性以及壽命等性能。傳統(tǒng)的機械軸承支撐滿足不了飛輪的高速運轉(zhuǎn)，而采用磁懸浮電機的飛輪電池系統(tǒng)，實現(xiàn)了飛輪能量轉(zhuǎn)換與懸浮支撐的集成化與一體化，既可以實現(xiàn)飛輪電池機械能與電能的轉(zhuǎn)換，又能實現(xiàn)飛輪的穩(wěn)定支撐。

關(guān)鍵詞：電動汽車;飛輪電池;磁懸浮電機

中圖分類號：TM341;TM351文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1674-1064（2021）03-001-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.03.001

1 背景介紹

隨著石油能源枯竭以及全球環(huán)境的惡化，電動汽車應(yīng)運而生并于近年來在全球發(fā)展迅猛。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計：2020年全球電動汽車銷量約為310萬輛，預(yù)計到2030年，電動汽車銷量將與傳統(tǒng)燃油車銷量持平[1]。然而，由于電動汽車動力電池關(guān)鍵技術(shù)如電池壽命、電池容量、電池安全等還未完全攻克，所以在極大程度上制約了新能源汽車行業(yè)的發(fā)展。

針對電動汽車動力電池，在其基礎(chǔ)上增加一個輔助電源協(xié)助動力電池充放電，可以在不影響電動汽車性能的前提下減小動力電池的充放電電流;可實現(xiàn)電動汽車的制動能量回收，可有效延長動力電池壽命，并在一定程度上提高動力電池容量。傳統(tǒng)的輔助電源一般為超級電容[2]，但是其能量密度較低、壽命短。飛輪電池是利用高速電機帶動飛輪加減速旋轉(zhuǎn)，以實現(xiàn)電能與機械能相互轉(zhuǎn)換的裝置，是一種采用物理方法儲能的新概念電池。其具有能量密度大、充放電效率高、環(huán)境友好等優(yōu)點，可以極大地提高電動汽車的加速性能和續(xù)駛里程，是輔助電源的最佳選擇之一[3]。然而，傳統(tǒng)飛輪電池一般采用機械軸承支撐飛輪，機械支撐方式限制了飛輪的運轉(zhuǎn)速度。而采用基于磁懸浮電機的飛輪電池系統(tǒng)，使用非機械接觸的磁力支撐方式，可極大地提高飛輪轉(zhuǎn)速，充分發(fā)揮機械式儲能的優(yōu)勢[4]。

2 飛輪電池系統(tǒng)工作原理

飛輪電池作為輔助電源與電動汽車的動力電池相互配合，可以大大提高車輛的性能，其工作原理如圖1所示。飛輪電池與動力電池并聯(lián)連接，共同作為驅(qū)動電機的電源：當(dāng)電動汽車動力電池容量充足或處在能量回收工況時，回收的能量通過飛輪電機驅(qū)動飛輪高速運轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能存儲在飛輪中，同時分擔(dān)了過大的充電電流。當(dāng)電動汽車處在加速或上坡等大負荷工況時，飛輪電池的機械能通過發(fā)電機轉(zhuǎn)換為電能，協(xié)助動力電池向驅(qū)動電機供電。通過飛輪電池的輔助，動力電池的充放電特性得到了改善，容量得到提升，同時增強了電動汽車的加速性能。

3 基于磁懸浮電機的飛輪電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1 磁懸浮電機

磁懸浮電機是近年來出現(xiàn)的一類新型結(jié)構(gòu)的電機，其中的永磁同步磁懸浮電機應(yīng)用較為廣泛。其結(jié)合了磁軸承與電機的功能，通過定子特定的繞組布置方式，使電機轉(zhuǎn)子既能產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩驅(qū)動飛輪運轉(zhuǎn)，也能產(chǎn)生沿徑向的麥克斯韋力（以下稱懸浮力）使轉(zhuǎn)子在電機內(nèi)部懸浮[5]。永磁同步磁懸浮電機定子繞組結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，其中，A、B、C相繞組為產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩繞組，X、Y、Z相繞組為產(chǎn)生懸浮力的懸浮繞組，且兩類繞組應(yīng)滿足以下公式：

（1）

式中：Ns為懸浮繞組的極對數(shù)，Nt為轉(zhuǎn)矩繞組的極對數(shù);ωs為懸浮繞組電流頻率，ωt為懸浮繞組電流頻率。

3.2 基于磁懸浮電機的飛輪電池結(jié)構(gòu)

（a）傳統(tǒng)飛輪電池結(jié)構(gòu)

（b）基于磁懸浮電機的飛輪電池

圖3（a）所示為傳統(tǒng)的飛輪電池結(jié)構(gòu)示意圖。飛輪在徑向上由兩組徑向磁軸承支撐，在軸向上通過一組軸向磁軸承支撐，飛輪的能量轉(zhuǎn)換通過永磁同步電機實現(xiàn)，整體結(jié)構(gòu)處于真空密閉殼體中以減少阻力。這種布置結(jié)構(gòu)雖然簡單，但是飛輪的轉(zhuǎn)速受到永磁電機轉(zhuǎn)速的限制，因此這種結(jié)構(gòu)的飛輪電池所能儲存的能量有限。圖3（b）所示為基于磁懸浮電機的飛輪電池，該結(jié)構(gòu)是將傳統(tǒng)飛輪電池結(jié)構(gòu)中的永磁同步電機替換為磁懸浮電機，構(gòu)成了基于磁懸浮電機的飛輪電池系統(tǒng)。該飛輪電池集成結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮了磁懸浮電機在高速運行、磁力支撐的優(yōu)勢，發(fā)揮了永磁電機的高效率與高功率的優(yōu)勢，實現(xiàn)了飛輪電池能量轉(zhuǎn)換與磁力支撐的集成化與一體化，可以極大地提高飛輪的運轉(zhuǎn)速度。

4 結(jié)語

與傳統(tǒng)電池相比，飛輪電池具有無可比擬的優(yōu)點，也符合未來能源戰(zhàn)略發(fā)展的方向，非常具有研究意義。作為電動汽車的輔助電源，可以極大地提高其整體性能，然而龐大的結(jié)構(gòu)以及高昂的成本限制了飛輪電池的發(fā)展。采用基于磁懸浮電機的飛輪電池，既可以縮小飛輪電池的結(jié)構(gòu)尺寸，降低其成本，也能提高飛輪電池的容量。目前，基于磁懸浮電機的飛輪電池正向著高速化、小型化、低成本化的方向發(fā)展，在電動汽車、航空航天、不間斷電源等領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。

參考文獻

[1] 曠水章，匡增，彧王虎.新能源汽車技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢[J].內(nèi)燃機與配件，2020（22）：188-189.

[2 曹秉剛，曹建波，李軍偉，等.超級電容在電動車中的應(yīng)用研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報，2008，42（11）：32-34.

[3] 劉春娜.飛輪儲能電池應(yīng)用展望[J].電源技術(shù)，2013（11）：1897-1898.

[4] X.Sun，L.Chen，Z.Yang.Overview of bearingless permanent-magnet synchronous motors[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2013，60（12）：5528-5538.

[5] 鄧智泉，仇志堅，王曉琳，等.無軸承永磁同步電機的轉(zhuǎn)子磁場定向控制研究[J].中國電機工程學(xué)報，2005，25（1）：107-111.