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、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

             (1)

式中：为圆环的质量；为其回转半径；为飞轮的转动惯量；为其角速度；为其材料的密度；为材料的容许拉伸应力；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()的材料。所以，用碳素纤维复合材料制造飞轮最具优势。

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1.2×106psi(8.27GPa)，对应于该值的理论比能量是241.5Whr/lb(532.41Whr/kg)，比功率是766W/kg。

碳素纤维复合材料不能成形，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.其二是采用著名的偶极子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，以利于真空的密封。

图2Trinity电动机-发电机截面图

根据Halbach排列的电动机-发电机，无需安装任何轭铁，因此也就不存在端部负载或不平衡力矩作用在转子或它的悬浮物上，而且转子和定子的气隙也不需作为关键尺寸来控制。

英国的Urenco有限责任公司和国际能量系统公司发展了第一种电机构型，它们将电机转子的永磁材料(钕铁硼NdFeB)先制成磁粉，而后在形成三维编织复合材料飞轮时连同碳素纤维复合材料和环氧树脂一起固化在飞轮内.飞轮转子制成后，再在特制的冲磁机上将转子冲磁成所需的型式.这种永磁电机具有更小的结构尺寸和更高的效率，更重要的是，由于磁性材料的不连续分布，电机转子没有任何集中载荷，从而确保转子内无任何功率损耗.当转子的速度达到42000r/min时，储存的能量达18MJ.与普通电机相比，这种电机的损耗是非常小的，尤其当采用高硅钢叠片的定子时，磁损耗最小，涡流损耗也最小，再加上定子绕组采用精制绞合导线，补偿了集肤效应。

3磁悬浮轴承

在飞轮电池中的磁悬浮轴承主要用来支承高速旋转的飞轮转子，其作用与普通的电磁轴承相同，但工作要求完全不同.对于普通的电磁轴承而言，它主要承受外界作用于转子上的径向力和轴向力，通常这些力的变化范围是非常大的.而飞轮电池中的磁悬浮轴承，它主要承受飞轮转子自身的重量和制造不平衡而引起的离心力，以及因固定飞轮电池的机架而引

起的陀螺效应力(对于完全固定的应用，则无此力。此外，飞轮电池转子无需精确定位.尽管飞轮电池磁悬浮轴承的控制远没有普通的电磁轴承控制复杂，但其控制必须结合飞轮电池电机的控制，因而飞轮电池的总体控制复杂程度也是较大的。

磁悬浮轴承有两种控制方式，即主动控制的磁悬浮轴承(AMB)和被动控制的磁悬浮轴承(PMB)，而由于磁悬浮轴承所固有的不稳定性，被动控制的磁悬浮轴承实际应用很少.主动控制的轴承激励器可以用单独的电磁铁(EM)或者电磁铁和永久磁铁(PM)组合构成，它们对应的轴承分别称为EM轴承和EM/PM轴承。EM激励器在构造上通常比EM/PM激励器更简单，因而更容易设计成薄片状的磁结构，从而涡流损耗被减小.然而，EM轴承的气隙磁动势通常比EM/PM轴承有更大波动范围。

EM/PM轴承通常构造更复杂，但比同等的EM轴承更少的安匝数/单位力，对励磁线圈的电流更加敏感，一般与励磁电流的关系更接近线性化，而且能做成比EM轴承更紧凑的结构.他们能在某些方向提供被动支承，而在其他方向提供主动支承.如果定子铁心做成薄片状，其磁损耗和涡流损耗会更低。因为EM/PM轴承能够工作在零功率模式，此时的轴承负载由永久磁场承受，因此，他们能在非常低的能耗下工作，这是EM轴承所做不到的。

先观察两种EM轴承的激励器结构，如图3(a)和(b)所示。图3(b)的布置由于磁路沿轴线方向，定子铁心容易做成薄片状，因而比图3(a)的布置会有更小的运动和磁损耗.而对于EM/PM轴承，其激励器的布置方案较多，见图4所示.除了图4(f)外，其他5种结构的转子都采用径向主动控制和轴向被动支承。

图3EN轴承激励器的布置

图4EN/PM轴承激励器的布置

对于电磁轴承来说，磁路设计和分析是非常重要的。磁路的设计目标是在满足负载要求的前提下，确保激励器的动态和热特性是合适的.磁路的分析方法目前有两种：第一种是磁阻或磁导回路法；第二种是电磁场方程法(如有限元法)。第一种方法在设计阶段是非常有效的，但它需要较多的实践经验才能决定漏磁和端部磁路。而电磁场方程法主要用来验证磁路模型的正确性。

电磁轴承系统由于无法准确知道在轴承气隙处磁通量所产生的强度和路径，以及与铁磁材料相关的非线性性，包括非线性的磁导率和磁现象；还有诸如功率放大器的输出电压饱和转子限定的位移等的物理约束，以及高速时的陀螺效应和转子不平衡引起的同步扰动，及外部作用于及其壳体上的非同步扰动等因素，使得它的控制十分具有挑战性.电磁轴承控制的实现分模拟控制和数字控制两大类。其中最主要的控制方法有：PID、结合槽口滤波的PID、LQG、Gain-Scheduling、模糊控制、自适应控制、迭代学习控制、TDC(时延控制)、SMC(滑模控制)、μ-综合、神经网络控制以及近来出现的无传感器控制等。这些控制方法各有优劣，可根据具体设计要求加以选用。

4电力电子

这里的“电力电子”是指用于调节电动机-发电机功率的子系统.该子系统在吸收或释放动力时都充当可变电压、可变频率(VVVF)的电机。主要的电力电子元件是功率开关器件IGBTs.这种器件和功率二极管一起被封装在一个模块“功率块”内，二极管的两级分别与IGBT的发射极和集电极相连。当飞轮电动机-发电机和电力电子变流器(变频器)被封装在一起作为直流电池时，典型的系统电气和控制构形如图5所示。

图5飞轮电动机-发电机及电力电子线路图

这种飞轮电池的电机输出特性近似于正弦曲线。电机的每一相都存在电阻和自感，并分别与一个六脉冲桥式电路中的电力电子相连。IGBTs被安装在一个冷却板上，通过光耦合器与微控制器的连接而工作。它能工作在额定电压高至2500V时的情况。这些电力电子块处理全范围的飞轮输入和输出，包括放电电流为800A的情况。

飞轮电动机-发电机的各种工作要求都是通过电力电子的操作来完成的.从静止状态开始，电机在限流控制下启动，初始激励由一个外部的辅助电路来提供。转子的位置由Hall传感器测量，而其位置反馈是通过位置合成算法或光学译码器获得的。在获得一定的转速后，控制系统引导电机在各种模式下工作，

包括速度控制或者电压控制。用于UPS时，工作模式是维持充电；用于车辆时，工作模式是按照车辆的工况要么释放能量(正常模式)，要么回收能量。

5辅件及应用接口

(1)着陆轴承。着陆轴承的着陆表面在电磁轴承不能提供支承时支承转子。着陆表面的材料有固态润滑乙缩醛、固态润滑尼龙、聚亚苯基硫化物、聚酰胺-酰亚胺和聚酰亚胺等.着陆轴承有两种型式，即球轴承和滑动轴承.机械球轴承作为着陆轴承时，由于使用了诸如红宝石类的贵重材料，其造价较高，但寿命短。故现在多采用滑动接触的着陆表面(两个非润滑的固体表面).在设计这类着陆表面时，要考虑诸如摩擦系数、热膨胀系数和压力/速度(PV)数等材料性质。其中最重要的性质是满足PV数。

(2)容器及安全。由于飞轮电池的转子速度极高(理想设计时在100000r/min以上)，安全问题就成了飞轮电池十分重要的研究课题。目前，国外许多研究机构对飞轮电池做过许多冲撞和爆炸试验，积累了一些十分珍贵的试验数据。尤其值得重视的是飞轮容器的设计，因为它的结构与飞轮电池的安全密切相关。总结这些试验可以得出一种较为理想的飞轮容器结构，即在容器的内部靠近飞轮转子的位置安装一个可以自由旋转的石墨增强的复合材料圆筒(衬套)。当飞轮转子产生爆裂时，它能够吸收和耗散瓦砾的径向能量，通过摩擦耗散掉瓦砾的旋转能量，降低传给转子支座和支承零件的力矩负载。理想的衬套是具有高强度以抵抗初始的冲击，低的惯性矩以便由旋转的瓦砾通过摩擦产生的力矩使衬套的角速度快速增加，直至衬套和瓦砾达到相同的角速度为止。

(3)辅件。飞轮系统辅件包括真空装置、冷却系统和冷却器、监测和显示仪表等。

6结语

飞轮储能技术的开发是昂贵的，但又是急需的。由于飞轮储存能量所需要的高转速带来极大的力的作用，任何缺乏必要的精度和工程细节的设计将会造成灾难性的后果。尽管如此，它并没有丝毫减少科研工作者们对飞轮电池研究的热情，也没有吓住投资人对它的研究的支持。其原因就在于飞轮电池的市场空间太大了。在电力工业，它能用于电力质量和电网负载调节；在汽车工业，它能用于电动汽车和一些军事车辆的动力源，部分或完全取代内燃机；在国防工业，它既能用于卫星和航天器的动力源，又能用于电磁炮和电热化学炮的发射助力器等。

在本世纪初，这些市场每年将产生数以千计的订单。紧接着，随着这些低价格的产品不断应用，将成为大型市场，为车辆和通信铺平道路。此外，结合能量储存和姿态控制的航天市场也将具有广阔的前景。在2010年之前，航天站上的能量储存装置将会被双重用途的飞轮电池所代替，而且飞轮电池将成为复合动力车辆的最普遍的动力装备。飞轮电池在电力质量市场同样会产生巨大的应用潜力，可以预见，未来的城市电网中分布式飞轮动力系统将会起到越来越大的作用。下载本文