飞轮电池优势显著 但仍未得到广泛应用

  • 2019-02-19
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本文将对飞轮电池及其优势进行介绍,并对其核心技术和发展现状进行阐述,同时也对其当前未得以广泛使用的原因进行整理与分析,为新能源汽车电池产业的发展提供参考。

  摘要:本文将对飞轮电池及其优势进行介绍,并对其核心技术和发展现状进行阐述,同时也对其当前未得以广泛使用的原因进行整理与分析,为新能源汽车电池产业的发展提供参考。

  由于蓄电池大电流充放电能力、寿命及效率方面等存在的不足,至今尚有许多问题需要解决,这制约了电动汽车的迅速发展。因此,行业在研究高能量蓄电池的同时,也在探索其他绿色储能装置。其中,飞轮电池发展较快,并在各类汽车上得到了成功的应用。

  飞轮电池优势显著 已成为新能源汽车电池行业的重要发展方向

  飞轮电池起源于上个世纪九十年代,和传统的化学能电池有所区别,飞轮电池采用物理方法储存能量。它通常包括电动发电机、轴承、飞轮、真空容器、动力轴以及电力电子设备等。电动机与发电机通过飞轮与轴承来进行连接,并都通过同一台电动发电机来实现工作,通过电动机,外界输送的电能被转化为飞轮的动能而储备起来,并通过发电机将飞轮的动能转化电能来实现对外输送能量的目的。通常情况下,飞轮和电动机等构件均被置于密封的真空容器中来降低空气阻力和能量消耗。

  飞轮电池相比于化学电池而言,具备许多显著的优势:一方面,飞轮电池瞬时功率高且储能密度大;另一方面,飞轮电池不存在过度充、放电,其实质是把飞轮机械功与电能进行转换,因此,其能量转换效率也更高,储能密度也不会受到影响;另外,和化学电池相较而言,飞轮电池的充电时间更短;此外,飞轮电池使用寿命通常可达20年,比化学电池更长。飞轮电池已经成为新能源汽车电池行业的重要发展方向。表1为储能装置相关性能的比较。

  表1 储能装置相关性能的比较

   储能装置相关性能的比较

  (资料来源:中国知网)

  近年来飞轮电池技术发展迅速

  飞轮电池的研究跨越了材料、机械、力学、电机、电子等多个学科,其关键技术主要包括飞轮的结构与制造工艺、轴承支撑技术、高速转子动力学技术、电机及能量转换技术以及真空密封技术五大板块。表2为飞轮电池的关键技术。

  表2 飞轮电池的关键技术

  飞轮电池的关键技术

  (资料来源:新能源汽车动力电池技术)

  飞轮电池技术在过去的十几年里进步非常迅速。首先是飞轮本体,美国LLNL开发出的超高速飞轮最高转速可达60000r/min,伊朗Shiraz大学研制的带式可变惯量飞轮已经应用于电动汽车,该结构具有较高的系统稳定性和储能效率。而就轴承而言,美国爱迪生电力公司与阿贡(ANL)国家实验室合作了超导磁力轴承(SMB)的飞轮储能试验则创造了世界纪录,当转子质量为0.32kg时,SMB的摩擦系数只有30×10-7。电机方面,马里兰大学设计了磁芯缠绕、磁铁材料和磁芯叠片,使得电机总效率达到了94%。另外,在输入/输出电路方面,美国Beacon公司已经可以实现直流母线到三相变频交流的双休能量转换。而现阶段,给飞轮系统提供真空环境来降低风阻损失的真空容器,也基本能达到10-5Pa量级。

  飞轮电池在新能源汽车上的应用优势显著 但仍未大规模应用

  飞轮电池在汽车上的应用主要包括辅助储能装置和主要储能装置。用作汽车的辅助储能装置时,在车辆起步、加速和爬坡时,飞轮电池可以提高电动汽车的动力性,协助蓄电池供电和延长其使用寿命;制动时也可以很好地回收能量。而用作主要储能装置的飞轮电池也是行业研究热点之一,美国飞轮公司研制的飞轮电池汽车由0-96千米/小时仅需6.5s加速时间,续航里程高达600千米。

  尽管飞轮电池在新能源汽车的应用上具有显著的优势,但现阶段仍未得以大规模应用。首先,飞轮电池的比能量比较低,因此飞轮电池不能替代蓄电池成为电动汽车主要的储能装置;其次,由于飞轮电池是靠高速旋转的飞轮存储能量,当飞轮出现破裂等意外时,其释放能量的方式不可控,因此带来了安全问题;另外,与蓄电池相比,飞轮储能的技术还不够成熟;此外,飞轮电池的成本较高,这也影响力其市场竞争力。

  结语

  尽管飞轮电池具有瞬时功率高、储能密度大、使用寿命长、能量转换效率高、不存在过度充放电等显著优势,但由于安全隐患、轴承技术、储能功率有限等问题尚未得以大规模推广,但仍是一类充满前景的汽车动力装置。随着石油资源紧缺及环境污染问题的日益严重,飞轮电池极有可能在汽车动力装置中占据更加重要的地位。

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