飞轮储能技术车用探讨

飞轮储能技术车用探讨

刘曜宁

中车永济电机有限公司 陕西 西安 710016

摘要：储能技术是当前能源利用技术关注的热点，现有储能技术包含:抽水蓄能、电池储能、熔盐储能、压缩空气储能、飞轮储能等。目前汽车保有量持续增长，汽车尾气排放问题日益严重，世界各国都在不断寻找燃油发动机替代物，电动汽车是目前较好的解决方案。随着电动汽车推广应用的不断深入，其采用的化学电池普遍存在续航能力差、充电时间长、使用寿命短等技术难题。因此，飞轮储能才逐渐突破各种限制，开始了跨越式的发展，也逐步从实验室研究走向社会各行各业的应用。

关键词：飞轮储能；技术；措施

引言

尽管飞轮储能技术已经在泓慧能源的不断努力下取得了重大进展，但飞轮储能技术并未实现大规模产业化应用。泓慧能源希望将飞轮全系列产品在国内推广，于是参加中国创新创业大赛，借助此平台宣传飞轮储能技术，让更多业内人士了解这项技术，引起行业和国家的重视，从而推动整个行业发展。飞轮储能应用领域广泛，优势明显，可加快推进环保和新能源双引擎战略。同时，飞轮储能作为行业内的小众技术，希望让储能行业认识到，储能领域不仅有电化学储能、抽水储能，还有飞轮储能。

1飞轮储能系统概述

飞轮储能系统是一种机电能量转换的储能装置，通过采用物理方法来实现对能源的储存，不仅不受地理环境条件的限制，还具有瞬时功率大、运行损耗低的优点，能够有效提升电力系统对风力发电等新能源的消纳水平，被广泛应用于航空航天、交通运输、风力发电、核工业等领域。飞轮储能思想并不是现代社会产生的新的理论研究成果，而是在百年前就被学者提出，但由于当时社会的生产力水平低下和技术条件的限制，其并没有得到有效利用和实践突破，直到随着时代的进步，高强度纤维材料工艺技术、微电子技术和磁悬浮技术等几个领域有了突破性进展，才推动了飞轮储能技术及其应用的迅速发展。飞轮储能对比其他的储能手段具有工作效率较高的优势，能在接近真空的条件下利用磁悬浮轴承的支撑效果，降低风电装置运行过程中可能出现的磨损和消耗。在国家未来碳中和、碳达峰的长远规划目标下，飞轮储能系统具有十分显著的发展优势，受到海内外相关领域专家和学者的广泛关注。

2飞轮储能在汽车上应用的策略

2.1能量转化效率

飞轮储能的突出优点之一就是能量转化效率高，基本不受温度等环境因素的限制。相比较蓄电池在恶劣环境、复杂路况下的续航能力表现，其有较大优势。以一台峰值功率为150kW的电动汽车为例，若配备100kWh的锂电池，按照目前的锂电池水平其续航可达到600km。但厂家标明的续航往往是理论计算值，实际行驶过程中车速不同、行驶路况不同以及环境温度不同，电池的效率会出现较大差异，实际行驶里程也相差较大。锂电池汽车续航能力测试，可以看出在车速120km/h的情况下，汽车实际续航与理论续航的比值只有0．535，而汽车在68km/h的情况下，汽车实际续航与理论续航的比值有0．76，这说明了汽车在高速以及道路拥堵情况下，电池的能量转化效率都会大大下降。这是因为车速较高时，电动汽车的电机工作在高功率状态，电池的工作电流较大，根据国家对锂电池能源转换效率的要求，在电池大电流输出下其能量转化效率要达到75%，但实际上很多电池目前还无法达到，故汽车长时间在高速下行驶会严重影响其续航能力。快充，即电池在大电流输入情况下，能量转化效率也会有较大的下降。环境温度为23℃±2℃下的测试值，而在高温或低温环境下，锂电池的续航也会严重缩水，以中型汽车为例，高温会让续航里程减少8%～19%，低温会让续航里程减少20%～45%。

能源系统能量的损失主要来源于能量的转移和转化的过程以及能源系统中各设备的自身损耗。飞轮储能能量损失点主要集中在:电力设备能量输入、输出过程，电动发电机加速、减速过程，飞轮转子及电磁轴承的损耗，真空系统损耗，冷却水系统损耗。电力设备能量输入、输出过程产生的能量损耗主要来自电力电子器件运行时的压降，其能量损耗通常只有几瓦。电动发电机加速、减速过程即飞轮储能系统充、放电过程，电动发电机在运行过程中的损耗来自其定子和转子损失，按照目前高速永磁电机的技术水平，其效率可达到97%及以上。飞轮转子及电磁轴承的损耗包含了转子高速旋转的风损以及电磁轴承的铜损和铁损，转子的风损和其所处环境气体摩擦因素成正比关系，在达到0．1Pa以下高真空环境里，风损占空载损耗不足八分之一。真空系统往往是在初次抽真空时有一定的能量损耗，而后续真空度是依靠壳体的密封性来保证，在真空度越高的飞轮储能中，泄漏量也会随着增加，故需要定期用真空泵进行真空维持，但是其折算下的损耗极低，基本可以忽略。而轴承的损耗是相对较大的值，对于立式转子，其损耗主要在于轴向轴承，对于一台储能为100kWh、功率为150kW的飞轮储能系统，其转子重量将达到近700kg，其轴承损耗将近3．5kW。冷却水系统需要将飞轮储能运行过程中产生的热量带走，故需要水泵维持其循环压头，其损耗取决于轴承、电机的损耗以及系统热交换系数，其原理类似于热泵，即冷却水将储能系统中的热量转移至环境中，一般热泵能效比可达到4。

2.2飞轮转子、轴承的应用

飞轮转子、轴承和电子变换器等部件是组成飞轮储能系统的关键，尤其是作为电力储能载体的飞轮转子，能够通过高速的旋转做功实现机械能的形式装换，该部分设计优化的质量对其储能系统的性能产生很大影响，对飞轮转子的优化设计原则要在满足综合设计要求的基础上，运用优化设计方法增加飞轮储能系统的储能密度和储能功率。飞轮转子系统由大部分元件组合而成，其工作原理较为复杂，简而言之就是利用自身的飞轮设施进行能源的旋转收集，并储存到储能系统中，使用时再进行反向重演，利用飞轮进行能源的释放，进而促进动能、机械能和电能的自由转化。针对飞轮转子的储能密度优化设计，还要从提高飞轮转子旋转速度改善转子组成结构等方向出发，在保障功能运转正常和转子低应力水平的基础上，提高储能功能。通过多目标遗传算法和有限元分析法的辅助应用，对转子结构进行数据分析和优化设计，根据计算出的最优转子结构设计参数来进行实际制造，进而减少飞轮转子的质量。储能密度是衡量飞轮转子性能的重要指标之一，在对其进行优化时，要选用具有高强度的制造材料，具有良好的刚性和小比重且经由两种或两种以上制造工艺复合而成的复合材料是制作高速储能飞轮的首选材料，如碳素纤维与玻璃纤维复合材料等，这种材料的应用能够在很大程度上提高飞轮结构的整体密度，从根源上提升工作的质量和效率。实现储能数量的扩充要依靠对飞轮转子旋转速度的优化提升，只有完成对转子制备材料的改造升级，选用具有较高强度和较低密度的材料，如碳素纤维或玻璃纤维等复合材料进行制造，有效提高飞轮转子转速和储能密度，才不会因为材料强度过低对转速形成限制，产生离心应力过载的情况。

结束语

飞轮储能经历了一定阶段的发展，电机、转子、电力转换器等较难攻关的技术问题也纷纷得到解决，相比较锂电池等蓄电池而言，有着充放电迅速、工作效率高、使用寿命长、环保无污染等众多优势，其在车用领域的应用将有着广阔的前景。但是其所配置的系统复杂，设备多，对于想要达到大众化使用程度还需要攻克其成熟度、安全性、外形尺寸、初始成本等关键课题。

参考文献

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