孫中鑫，儲江偉*，李嘉鵬，李洪亮，張新賓

(1.東北林業(yè)大學 交通學院，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)

飛輪儲能技術(shù)是一種機械式的儲能技術(shù)，具有易于控制、長壽命、低損耗等優(yōu)勢，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，推動汽車產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[1]。對于飛輪儲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)計上需考慮到汽車獨有的外形特點及運行特性。本論文分析了儲能飛輪轉(zhuǎn)子的材料強度、尺寸結(jié)構(gòu)對汽車儲能效果的影響，并利用動力學仿真軟件模擬以飛輪儲能驅(qū)動車輛的運行狀況，進而完善飛輪儲能裝置在汽車上的應(yīng)用。

1 飛輪儲能技術(shù)的特點

1.1 飛輪儲能原理

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

圖1 飛輪儲能的工作原理圖

1.2 飛輪儲能的技術(shù)優(yōu)勢

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。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、鎳鎘電池等化學蓄電池；②將能量存儲于超導(dǎo)線圈磁場中，通過電磁轉(zhuǎn)化實現(xiàn)充放電的超導(dǎo)儲能裝置；③將燃料的化學能轉(zhuǎn)化為電能的燃料電池(主要以氫作為燃料)；④利用機械能與電能相互轉(zhuǎn)化以實現(xiàn)充放電的飛輪儲能裝置。這幾種儲能裝置相對應(yīng)的性能指標比較，見表1。

由表1可知，飛輪儲能裝置與其他儲能裝置相比較具有：工作溫度范圍寬，對環(huán)境沒有嚴格的要求；使用壽命長，不受重復(fù)深度放電影響，能夠循環(huán)幾百萬次運行；低損耗、系統(tǒng)維護周期長等優(yōu)勢[3-4]。在新興的儲能技術(shù)中，飛輪儲能技術(shù)因為擁有傳統(tǒng)化學儲能技術(shù)無法比擬的優(yōu)點已經(jīng)被人們所廣泛地認同。

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

(1)制動能量可以充分被利用。飛輪裝置將車輛在制動時損耗一部分能量存儲起來，當需要時再加以利用，從而提高了能量利用率。

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

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

2 國內(nèi)外應(yīng)用研究概況

2.1 以飛輪儲能作為動力

瑞士歐瑞康公司(Oerlikon)曾研發(fā)出一輛完全由飛輪儲能裝置供能的公交車。儲能裝置的飛輪直徑為1.63 m，重量達到1 500 kg；為降低風損將飛輪設(shè)置在密閉環(huán)境中，以3 000 r/min的速度運行。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。

美國飛輪系統(tǒng)公司(AFS)研制的適用于汽車的飛輪電池。其總長為18 cm，直徑為23 cm。每節(jié)電池核心是一個以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480 km。

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

2.2 以飛輪儲能作為輔助動力

飛輪儲能系統(tǒng)可以輔助內(nèi)燃機驅(qū)動車輛運行。使汽車具有低燃耗、低排放、高經(jīng)濟性、續(xù)駛里程長等特點。美國羅森汽車公司(Rosen motor)研制出功率為3kW的渦輪發(fā)電機和飛輪儲能裝置驅(qū)動的汽車系統(tǒng)，可儲存能量1kWh。道路試驗證明，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 以飛輪儲能方式回收能量

英國Flybird Systems將飛輪儲能技術(shù)應(yīng)用于汽車輔助驅(qū)動系統(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)能量達到400 KJ，可將汽車制動時的70%能量回收。日本研制出一款電動汽車，它可使飛輪電池回收車輛制動時的動能，飛輪最高轉(zhuǎn)速為36 000 r/min，試驗過程中動能電能轉(zhuǎn)化率達到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。當汽車制動時，制動能量以動能形式存儲于飛輪儲能系統(tǒng)中，飛輪最高轉(zhuǎn)速可達60 000 r/min。當車加速時，飛輪系統(tǒng)將通過無級變速機構(gòu)將動能傳送給后輪。因為動能回收的時間短，更適合城市中車輛間歇運行的環(huán)境。預(yù)計在通常的行車環(huán)境下，配備了飛輪動能回收系統(tǒng)的車輛，其發(fā)動機將有一半時間都處于停息狀態(tài)[11-12]。

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

3 飛輪儲能量相關(guān)影響因素分析

3.1 飛輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)

由飛輪儲能裝置原理可知，能量以機械能即飛輪高速旋轉(zhuǎn)時所產(chǎn)生的動能形式儲存在裝置中。對于旋轉(zhuǎn)體而言，其能量公式為：

(1)

式中：E為飛輪旋轉(zhuǎn)時具有的能量，J；I為飛輪的轉(zhuǎn)動慣量，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)動慣量及飛輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速可使飛輪可存儲能量增大。其飛輪的轉(zhuǎn)動慣量計算公式為：

。

(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)動慣量主要由飛輪轉(zhuǎn)子的半徑所決定，當飛輪轉(zhuǎn)子的材料及厚度確定時，其轉(zhuǎn)動慣量與飛輪轉(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能量大的同時，還要具有質(zhì)量輕，體積小的特點。若飛輪轉(zhuǎn)子的質(zhì)量與汽車的整備質(zhì)量之比超過0.15，則會導(dǎo)致汽車在運行時能量的過度消耗。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)動慣量關(guān)系

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

3.2 飛輪的幾何形狀

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

Em=K0σ/ρ。

(4)

式中：Em為飛輪轉(zhuǎn)子的儲能密度，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、實心圓盤、等應(yīng)力圓盤等。以鋼鐵材料為例，當材料以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，不同幾何形狀的飛輪轉(zhuǎn)子的影響因數(shù)K0比較見表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，可達到的儲能密度最高。但對于三維空間上的物體來說，材料應(yīng)力會在空間的三個維度上有相互作用，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際尺寸并且降低了飛輪高速旋轉(zhuǎn)時的安全性。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)簡單，加工方便，儲能影響因數(shù)較高。因此環(huán)盤形轉(zhuǎn)子比較適合選作為飛輪儲能系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子[14-15]。

3.3 飛輪的材料強度

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

對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)速運行，必須要考慮材料的強度。目前應(yīng)用較多的材料主要有以高強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，當飛輪轉(zhuǎn)子作為儲能構(gòu)件時，需要極高的轉(zhuǎn)速，目前轉(zhuǎn)速最高的已經(jīng)達到每分鐘幾十萬轉(zhuǎn)，其邊緣線速度甚至超過音速，大多數(shù)金屬材料的強度不能滿足要求，而碳纖維或玻璃纖維這種高強度新型材料的出現(xiàn)恰好滿足了飛輪轉(zhuǎn)子對材料強度的需求[16-19]。

4 飛輪儲能為動力的汽車運行仿真分析

4.1 飛輪儲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能裝置具有轉(zhuǎn)速高，尺寸小，功率大的設(shè)計原則為基準，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，工作時可存儲能量約為3×105J。

將飛輪儲能裝置安裝在一款電動觀光旅游車上。觀光旅行車一般用于游園內(nèi)，具有運行里程較短，充電便利，啟動駐車頻率較高等運行特點，適于利用飛輪儲能裝置為其供能。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，迎風面積A為2.2 m2。

4.2 仿真軟件

運用Adams運動學仿真軟件，對安裝有飛輪儲能裝置汽車的運行狀況進行建模仿真分析。Adams是一款機械系統(tǒng)動力學分析軟件，該軟件使用交互式圖形環(huán)境和零件庫、約束庫、力庫，能夠創(chuàng)建完全參數(shù)化的機械系統(tǒng)幾何模型。其求解器可建立系統(tǒng)動力學方程，能夠?qū)μ摂M的機械系統(tǒng)進行動力學和運動學分析，從而輸出運動速度、位移等曲線[20-21]。

4.3 仿真模型建立

在飛輪儲能模型中，所有的實體均按剛體處理，總體簡化模型如圖3所示

圖3 Adams創(chuàng)建的結(jié)構(gòu)仿真模塊

由飛輪的儲能原理可知，若要使飛輪儲能裝置獲得能量，需通過電動機驅(qū)動飛輪轉(zhuǎn)子獲取動力。故對電動機轉(zhuǎn)軸模塊設(shè)置初始角速度，與轉(zhuǎn)動驅(qū)動力。當飛輪處于儲能過程時，離合器將電動機與增速器相連接，即應(yīng)用固定副將兩者進行約束。增速器將電動機傳遞出的扭矩降低，速度增加進而帶動飛輪逐漸高速運轉(zhuǎn)起來。利用轉(zhuǎn)速傳感器檢測電動機及飛輪的轉(zhuǎn)速。當轉(zhuǎn)速達到額定值時使固定副失效，此時電動機與增速器解鎖分離。

當飛輪儲能裝置處于釋放能量過程中時，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力傳遞給發(fā)電機，發(fā)電機產(chǎn)生電能經(jīng)電控原件轉(zhuǎn)換，傳遞給汽車發(fā)電機，進而帶動汽車車輪旋轉(zhuǎn)。設(shè)置傳感器對飛輪剩余能量進行監(jiān)測，當飛輪剩余能量低于90%，停止運轉(zhuǎn)。

經(jīng)過以上的建模過程，利用飛輪儲能裝置及所應(yīng)用的汽車參數(shù)，對整個模型進行仿真分析。

4.4 仿真計算及結(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，滾動阻力系數(shù)f為0.01，傳動效率ηt為0.9，承載8人時車體總重量G為1.4×104，迎風面積A為2.2 m2，空氣阻力系數(shù)CD為0.3。根據(jù)功率計算公式：

(7)

可知汽車的行駛功率，通過Adams軟件對動力傳遞系統(tǒng)建模，并對運行狀況進行仿真模擬，飛輪儲能系統(tǒng)在放電時，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 汽車運行時飛輪剩余能量

當汽車由靜止逐漸加速運動時，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。當汽車加速至15 km/h后，汽車以勻速運動，飛輪剩余能量隨時間直線降低，汽車在路面上勻速直線運動。當飛輪的剩余能量低于10%后，飛輪停止向汽車供能。此時汽車的運行路程約為1.1 km。

圖5 汽車行駛路程與時間關(guān)系

5 結(jié)束語

飛輪儲能裝置在汽車領(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)濟性與動力性。飛輪儲能裝置具有很多其他儲能裝置無法比擬的優(yōu) 點。目前很多工業(yè)強國都在開展飛輪儲能的研究。

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

【參 考 文 獻】

[1]Cengelci E，Enjeti P.Modular PM generator/converter topologies，suitable for utility interface of wind/microturbine and flywheel type electromechanical energy conversion systems[A].Conference Record of the 2000 IEEE Industry Applications Conference[C]，2000，4：2269-2276.

[2]王冉冉，徐 寧.電動汽車中飛輪儲能技術(shù)的應(yīng)用[J].山東理工大學學報(自然科學版)，2003，17(3)：100-102.

[3]王 黎，趙云麗，李衛(wèi)東.飛輪儲能的仿真系統(tǒng)研究[J].電網(wǎng)與清潔能源，2010，26(11)：102-106.

[4]湯雙清，楊家軍，廖道訓(xùn).飛輪儲能系統(tǒng)研究綜述[J].三峽大學學報(自然科學版)，2002，24(1)：10-13.

[5]張建成.飛輪儲能系統(tǒng)及其運行控制技術(shù)研究[D].北京：華北電力大學，2000.

[6]文少波，蔣書運.飛輪儲能系統(tǒng)在汽車中的應(yīng)用研究[J].機械設(shè)計與制造，2010(12)：82-84.

[7]衛(wèi)海崗.飛輪儲能系統(tǒng)研究新動態(tài)[J].太陽能學報，2002(6)：749-751.

[8]楊志軼.飛輪電池儲能關(guān)鍵技術(shù)研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學，2002.

[9]蔣書運，衛(wèi)海崗.飛輪儲能技術(shù)研究的發(fā)展現(xiàn)狀[J].太陽能學報，2000，21(4)：427-433.

[10]Zhang J，Hu Y.Rotor，bearing and dynamic equations in energy storage flywheels for vehicles[A].Proceedings of ISDM 2009[C]，2009：164-169.

[11]機械飛輪儲能式KERS動能回收系統(tǒng)的解析[EB/OL].(2012-11-1)http：//www.chinavalue.net/Biz/Blog/2012-11-1/938778.aspx

[12]李紀剛，徐鵬云，秦紅星，等.飛輪電池在混合動力電動汽車中的應(yīng)用[J].微特電機，2008(6)：58-60.

[13]戴興建.高儲能密度飛輪結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].清華大學學報，2008，48(3)：378-381.

[14]Bolund B，Bernhoff H，Leijon M.Flywheel energy and power storage systems[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews，2007，11：235-258.

[15]Samineni S，Johnson B K，Hess H L，et al.Modeling and analysis of flywheel energy storage system for voltage sag correction[J].IEEE Transactions on Industry Applications，2006，42(1)：42-52.

[16]張邦力.飛輪儲能裝置在機車車輛上的應(yīng)用研究[D].成都：西南交通大學，2011.

[17]Christoper D A，Beach R.Flywheel technology development programe for aerospace applications[J].IEEE AES Systerms Magazine，1998(6)：9-14.

[18]Sahin F，Tuckey A M，Vandenput A J A.Design，development and testing of a high-speed axial-fluxpermanent-magnet machine[A].Conference Record of the 2001 IEEE Industry Applications Conference[C]，2001：1640-1647.

[19]Aanstoos T A，Kajs J P，Brinkman W G，et al.High voltage stator for flywheel energy storage system[J].IEEE Trans Magn.，2001，37：242-247.

[20]王 成，王效岳.虛擬樣機技術(shù)及ADAMS[J].機械工程與自動化，2004(127)：66-68.

[21]王寶昌，董 麗.基于PAM-STAMP的汽車發(fā)動機蓋板拉延成形仿真設(shè)計[J].森林工程，2014，30(4)：107-109.