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电动车用飞轮储能 40年前的技术又热起来了?

北极星储能网  来源:AutoLab  作者:田忠朝  2020/4/23 13:55:47  我要投稿  

北极星储能网讯:大家应该见过拖拉机的单缸发动机,侧面都有一个大大的铁盘子,这个就是飞轮,可以利用高速旋转的惯性能量稳定发动机转速,获得平稳动力输出。

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但如今有人想把这个大飞轮用在电动车上,当然,作用不是稳定动力输出,而是看中了它的储能特性。

有外媒报道,伦敦大学城市学院与Dynamic Boosting Systems公司合作研发了一项飞轮储能装置,即飞轮电池,可以为电动车供电。

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你可以把它理解为这就是一个机械电池

简单来说就是通过电动/发电互逆式双向电机,以物理的方式实现电能与飞轮机械动能之间的相互转换和储存。而我们常说的锂电池属于化学电池,将化学能与电能相互转化。

它的结构也不算复杂,典型的飞轮储能系统由飞轮本体、轴承、双向电机、电力转换器和真空室5个主要组件构成。

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飞轮本体是飞轮储能系统的核心部件,作用是力求提高转子的极限角速度,减轻转子重量,最大限度地增加飞轮储能系统的储能量,多采用碳素纤维材料制作。

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双向电机在储能时作为电动机运行,由外界回收能量驱动,加速飞轮旋转,此时电能转化为动能;在释能时,电机又转变为发电机,飞轮带动电机发电,向驱动电机供电,完成机械能向电能转化,在这个过程中飞轮转速会不断下降。

电力转换器是为了提高飞轮储能系统的灵活性和可控性,并将输出电能通过调频、整流或恒压等变换为满足负荷供电要求的电能。

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真空室的主要作用是提供真空环境,降低飞轮旋转时的风阻损耗。

轴承的性能直接影响飞轮储能系统的可靠性、效率和寿命。飞轮储能系统多采用磁悬浮系统,减少电机转子旋转时的摩擦,降低机械损耗,提高储能效率。

听起来好像很新奇,但其实这项技术早在上世纪八十年代初就已经出现了,当时瑞士Oerlikon工程公司,成功研制出了一辆完全由飞轮驱动的公共汽车。

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你可能会好奇,飞轮电池的功率有多大?

在2007年保时捷也曾研究过飞轮电池,并在2009年将这一技术用在了勒芒911 GT3 RHybrid赛车上,当时副驾驶座椅下面安装了一套飞轮储能系统,它的重量才103磅(约46.7kg)。

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在全速下,飞轮的转速可以接近4,0000rpm ,16英寸直径的飞轮可以提供0.2kWh的能量。不要看它容量很小,但功率很大,它可以提供163马力(约120kW)长达6秒的功率输出,而且可以频繁的快速充放电,这为当时的911赢得了不少比赛时间。

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因为正常情况下,赛车在激烈驾驶中急加速或急减速都会有极大的功率输入或输出,而大功率对化学电池寿命都有极大的损伤,据说在一场24小时的纽伯格林比赛中,电池就要更换三次。

而采用飞轮电池则无需换电池,在无需维护的情况下能够使用25年,反复充放电100万次也不会出现损耗。而且可以说它几乎没有功率限制,类似超级电容,可以快速充放电。

另外飞轮电池吸收刹车动能的效果也优于化学电池,比如一般车辆减速度只有0.3g,而飞轮电池能让赛车减速度达到1g,从而减少制动片磨损,同时还能提升25%的燃油效率。一般一场拉力赛普通车型要换2-3此刹车片,而飞轮电池车型只需更换一次。

这些减少的更换次数都可以为比赛赢得大量时间。后来在保时捷918概念车上,也出现过飞轮储能系统,可以为前桥两个电机提供2×75kW的额外动力。

可以说飞轮电池在技术上,性能指标上,安全性上,都很适合汽车使用,但为什么没有发展起来呢?

还是因为它性价比低,虽然功率大,但容量难以提升,所以不适合用于跑里程的电动车,只适合用于需要大功率的车型,例如跑车、卡车等。

事实上,考虑到飞轮储能量大,储能密度高,充电快捷,充放电次数无限,国外不少科研机构已将飞轮储能引入风力发电系统,即:风力发电机组+内燃机组+飞轮储能。

例如美国的Vista Tech Engineering,将飞轮引入到风力发电系统,实现全程调峰,飞轮机组的发电功率达到300kW,大容量储能飞轮的储能为277kW/h。

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而随着复合材料、磁支撑、动发一体机和多学科优化设计技术的不断进步,飞轮储能容量或许能进一步提升,应用于汽车行业前景依然广阔。


原标题:电动车用飞轮储能,40年前的技术又热起来了?

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