飞轮储能系统研究

电机与电器专题课报告

——飞轮储能系统研究

哈尔滨工业大学

2014年6月

飞轮储能系统研究

摘要：飞轮储能系统(FESS)又称飞轮电池或机电电池，由于它与化学电池相比所具有的巨大优势和未来市场的巨大潜力，引起了人们的密切关注。它结合了当今最新的磁悬浮技术、高速电机技术、电力电子技术和新材料技术，使得飞轮储存的能量有了质的飞跃，再加上真空技术的应用，使得各种损耗也非常小。本文针对该领域近年来的研究成果，对飞轮储能系统的几大关键部件全面的论述。

引言：

飞轮电池是一种高科技机电一体化产品，它在国防工业、汽车工业、电力工业、电信业等领域具有广阔的应用前景。作为电池家族的成员，这种新型的电池与化学电池相比具有以下几方面突出的优点。

(1)储能密度高。转子转速大于60000r/min的飞轮电池，在75%放电深度下产生大于

20Whr/lb的比能量(此值还不是最高的)，而镍氢电池只有5～6Whr/lb的比能量，其放电深度一般限制在30%～40%的范围内。

(2)无过充电、过放电问题。化学电池一般不能深度放电，也不能过充电，否则其寿

命会急剧下降。而飞轮电池在深度放电时，其性能完全不受影响，而且在电力电子协助下，非常容易防止过充电(实际上是限制转子的最高转速)。飞轮电池的寿命主要取决于其电力电子的寿命，故一般可达到20年左右。

(3)容易测量放电深度，充电时间较短。飞轮电池只要测出转子的转速，就能确切知

道其放电深度，而化学电池就没有这么容易了。另外，飞轮电池的充电一般在几分钟之内即可完成，而化学电池则需要几个小时，常见的需要七八个小时。

(4)对温度不敏感。化学电池在高温或低温时其性能会急剧下降，而飞轮电池则不然。

(5)对环境友好。化学电池在报废后会对环境产生恶劣影响，而且回收成本较高。飞

轮电池是一种绿色电池，它不会对环境产生任何影响，故它在电动汽车方面的应用极具潜力。

飞轮电池的发展开始于20世纪70年代，当时正处于石油禁运和天然气危机时期。此时，美国能量研究发展署(ERDA)及其后的美国能源部(DoE)资助飞轮系统的应用开发，包括电动汽车的超级飞轮的研究Lewis 研究中心(LeRC)在ERDA 的协助和美国航空航天局(NASA)的资助下专门研究用于真空下的机械轴承和用于复合车辆的飞轮系统的传动系统。NASA 同时也资助Goddard 空间飞行中心(GSFC)研究适用于飞行器动量飞轮的电磁轴承。80年代，DoE 削减了飞轮储能研究的资助，但NASA 继续资助GSFC 研究卫星飞轮系统的电磁轴承，同时还资助了Langley 研究中心(LaRC)及Marshall 空间飞行中心(MSFC)关于组合能量储存和姿态控制的动量飞轮构形的研究。

近10年来，一大批新型复合材料和新技术的诞生和发展，如高强度的碳素纤维复合材料(抗拉强度高达8。27GPa)、磁悬浮技术和高温超导技术、高速电机/发电机技术以及电力电子技术等，使得飞轮能够储存大量的能量，给飞轮的应用带来了新的活力。它可应用于国防工业(如卫星、电磁炮和电热化学枪、作战侦察车辆等)、汽车工业(电动汽车)、电力行业(如电力质量和电力负载调节等)、医疗和电信业(作UPS 用)等。NASA 的应用有航天器(宇宙飞船)、发射装置、飞行器动力系统、不间断电源(UPS)和宇宙漫步者。

典型的飞轮电池一般由5个部分组成:①高速储能飞轮；②集成驱动的电动机-发电机；③磁悬浮轴承及控制系统；④电力电子；⑤辅件和应用接口。其结构参见图1。从应用的角度看，飞轮电池的潜力尚未得到应有的发掘。就发展状况而言，它本身也远未达到替代其他电池的水平。原因除造价昂贵及设计理论尚未成熟外，还在于高速电机及磁轴承系统的控制方面仍有许多课题亟待研究和解决。本文将近年来国内外的研究热点归纳为以下几个方面。

图1飞轮储能系统结构简图

从应用的角度看，飞轮电池的潜力尚未得到应有的发掘。就发展状况而言，它本身也远未达到替代其他电池的水平。原因除造价昂贵及设计理论尚未成熟外，还在于高速电机及磁轴承系统的控制方面仍有许多课题亟待研究和解决。本文将近年来国内外的研究热点归纳为以下几个方面。

1 复合材料飞轮

选用高抗拉强度的飞轮材料是飞轮电池能够储存较多能量的先决条件，其次才是飞轮的结构设计。飞轮储存的能量跟它的旋转速度的平方成正比，和它的转动惯量成正比。飞轮的旋转速度和它的结构尺寸受到它的材料的强度，特别是拉伸强度所制约。对于一个薄圆环形的旋转飞轮，它所储存的能量和材料的容许拉伸应力的关系为

22211/22

h E mr I m ωωδρ==≤ (1) 式中：m 为圆环的质量；r 为其回转半径；I 为飞轮的转动惯量；ω为其角速度；ρ为其材料的密度；h δ为材料的容许拉伸应力；E 为飞轮的动能。由此可见，要想获得最大的

能量储存，必须选用高比强度(/

δρ)的材料。所以，用碳素纤维复合材料制造飞轮最具

h

优势。

为了达到较高的储能密度，飞轮目前一般使用高强度的碳素纤维复合材料。当采用T1000时，其拉伸强度高达×106psi，对应于该值的理论比能量是lbkg)，比功率是766W/kg。

碳素纤维复合材料不能独立成形，一般常用聚合物母基，如环氧树脂(epoxy)作为填充物。碳素纤维复合材料飞轮的制造分两步，首先碳素纤维在三维编织机上编织成飞轮所需要的形状，然后将预成型的织物放置在设计好的模具内，再将环氧树脂和催化剂在一定的压力和温度下注入到模型腔内，经过一定时间的固化，复合材料飞轮转子就制造出来了。目前，研究者对异构飞轮的制造产生了浓厚的兴趣，其相应的制造技术有辐射网状成形技术(LENS)及斯坦福大学和卡内基·梅隆大学联合开发的形状沉积制造(SDM)技术等。其中后者适合于制造多环复合材料飞轮。

飞轮的结构设计首先要考虑的是飞轮电池的电机、磁轴承和一些辅件在其内的布置，其次是考虑最大化储存能量，因此必须对飞轮结构进行优化。同构飞轮的优化相对较简单，Kirk和Ries(1992)已经得出了飞轮最优的径向厚度比(ID/OD=0。45)。而异构飞轮的优化则要复杂得多。异构飞轮的建模结合了几何、拓扑和材料信息，给出了一种非常全面的物体描述。借助于这种模型，异构飞轮的图形显示、体积、质量、和各种应力计算能够容易实现。对异构飞轮的优化目前较成功的是采用遗传算法和基于梯度算法的组合。

2 集成驱动的电动机-发电机

飞轮电池中的电动机-发电机已经集成为一个部件，当它“充电”时充当电动机，从外部吸收电能，以使飞轮转子的转速升高，直至达到设计的转速；而“放电”时充当发电机，向外输出电能，此时飞轮的转速不断下降。

对于高速操作的飞轮电池，有三种极具潜力的电机技术，即感应电机、开关磁阻电机及永磁无刷直流/交流电机技术[8]。而以永磁无刷直流/交流电机应用居多，尤其是对转速在30000r/min以上的飞轮电池更是如此。

对于高速的永磁无刷电机转子磁场，有两种布置方式。其一是将稀土永久硬磁材料(如NdFeB)首先制成磁粉，然后在飞轮转子成形过程中随环氧树脂加入其中，因而消除了成块磁性材料的集中载荷，确保了转子内无功率损耗.最后在转子空腔内安放磁化工具，利用高脉冲磁场使转子内的硬磁材料磁化成所需的型式.其二是采用着名的偶极子Halbach排列，如图2所示，Trinity飞轮动力公司发展了Halbach排列的电机构形，转子能够在位于真空边界外面的定子附近旋转，三相Litz导线分多层缠绕在定子(作为非弹性体)上，定子轴线与转子相同，这样循环冷却液体完全位于真空外面，以利于真空的