《动力电池及管理技术》课件-任务四 飞轮电池技术分析

项目四其他电池任务四飞轮电池技术分析《动力电池及管理技术》知识目标1.熟悉飞轮电池的结构。

2.知道飞轮电池的储能

原理。能力目标1.能说出飞轮电池的优点。2.能指出飞轮电池当前的应用及在应用中存在

的问题。素质目标通过学习探索新型动

力电池技术，

引导学

生积极思考未来新能

源汽车动力供能方式的多种可能性，

培养

创新意识。任务描述飞轮电池是20世纪90年代才提出的新概念电池

，

它突破了化学电池的局限

，

用物理方

法实现储能

。

当飞轮以一定角速度旋转时

，

它

就具有一定的动能

。

飞轮电池正是以其动能转

换成电能的

。

高技术型的飞轮用于储存电能

，

就很像标准电池

。

飞轮电池的结构和工作原理

是怎样的？

具有哪些特点？

是什么原因导致飞

轮电池还没有大规模地应用呢？

带着这些问题

我们一起进入下面的学习吧。任务引入飞轮之所以能够储能是基于飞轮以一定角速度旋转时

，

可以存储动能

的基本原理

，

飞轮储存的转动动能E可

用下式计算:E

=

2一、

飞轮电池的储能原理j

2式中j是指飞轮的转动惯量

，其大小与飞轮的尺寸和质量有关

，飞轮的直径越大

，质量越重

，转动惯量就越大

，但飞轮的轮体重量过重时

，

会增加机械的重量

，影响到飞轮的转速

，给飞轮的转动带来了困难。

当转速过高时

，过重的轮体也更容易引发撕裂等事故。

ω是指飞轮转动的角速度。

由上式可见

，要想使飞轮在旋转时能储存更多的能量，

除了要适当增加飞轮的直径和质量外

，就要尽可能地提高飞轮的转速。一、

飞轮电池的储能原理“飞轮”作为一种储能元件

，其实已被人们利用了数千年

，古老的纺车、

工业革命时期的蒸汽机、

近代的机器、

自行车等装置上经常可见它的身影

，

以往主

要是利用它的惯性来均衡转速和闯过

“死点”。

普通的飞轮是由钢(或铸铁)制成的

，

比较笨重

，储能也有限。

例如

，欲使一个发电力为100万千瓦的电厂均衡发

电

，储能飞轮需用钢材150万吨!另外要使飞轮转动起来以及将其储存的机械能释

放出来

，还需要一套复杂的电力电子装置

，

因而飞轮储能方法一直未能得到广泛

的应用。一、

飞轮电池的储能原理近年来

，

随着这三项技术的飞速发展:一是高能永磁及高温超导技术的出现；二是高强度复合材料碳纤维的问世；

三是电力电子技术的飞速发展

，使得飞轮储能技术取得突破性进展。

在20世纪90年代人们提出超高速飞轮的概念

，使飞轮这种储能装置变成一种实用的动力电池成为可能。

飞轮电池是一种新兴的电能存储技术

，

它是一种物理电池

，

突破了化学电池的局限

，与燃料电池技术等都是近年来出现的有很大发展前景的储能技术。一、

飞轮电池的储能原理飞轮电池储存能量和释放能量原理示意图如下图所示。一、

飞轮电池的储能原理超高速飞轮电池的结构示意图如右图所示

。

实际使用的

飞轮装置中

，

主要包括以下部

件

:飞轮

、

轴和轴承

、

电机

、

真

空容器和电力电子变换器。二、

飞轮电池的结构飞轮电池的结构1

、

飞轮飞轮是整个电池装置的核心部件

，

它直接决定了整个装置的储能多少

。

飞轮电池的飞轮是在真空环境下运转的，理论上转速可达20万转／分钟

。

现阶段在实际工作中

，

飞轮的转速可达5万转／分钟左右

，

由于离心力的作用

，

一般

金属制成的飞轮无法承受这样高的转速

，

在旋转的过程中容易解体

，

所以飞轮

一般是由碳纤维缠绕的钢圈制成的，碳纤维复合材料的密度仅为1

.

6g/cm3

，

强度却能达到2000MPa以上

，

相对于高性能钢

，

可减重60％以上

，

用这种材料制成的飞轮强度很高

，

重量大约只有5KG

，

减少了整个系统的重量

。

这样的高转速飞轮储存的能量如果集中释放

，

大概能够为动力系统提供60KW左右的能量

。二、

飞轮电池的结构飞轮电池与化学电池类似也有

“

充电

”

和“放电

”

，

充电时

，

电能通过电力电子装置变换后给电动机供电

，

电动机带动飞轮高速将电动机和发电机集成在一旋转

，

将电能转化为机械动能；

之后

，

电机起

，

用一

台电机来实现

。

飞维持一个恒定的转速

，

直到接收到一个能量轮电池的充电

、

停止和放电释放的控制信号；

放电时

，

高速旋转的飞轮三种状态分别实现了电能的带动电机转动

，

此时电机以发电机状态运转，完成机械动能到电能转换的释放能量过程。输入

、

储存和输出过程。二、

飞轮电池的结构2

、

集成电机4

、

磁悬浮轴承为了减少空气摩擦

，

提高飞轮电池的能量转换效率

，

电机和飞轮都使用磁力轴承

，

实现转子无接触支撑，即飞轮在工作状态下处于完全磁悬浮状态

，

因此这种轴承至少可以使用20

年

，

且在使用过程中不需要润滑。3

、

电力电子变换装置电力电子变换装置通常是双向逆变器

，

它可以根据飞轮电池系统的需要

，

将交流电和直流电相互变换

，

还决定了飞轮装置能量输入输出量的大小。二、

飞轮电池的结构5、

真空容器为了防止飞轮在高速旋转时出现碎裂的情况

，飞轮电池需要有一个非常坚固的外壳来包容飞轮。

该容器内有一个真空腔

，这样的真空状态不但可以减少飞轮和电机转子运转时产生的空气摩擦

，还可用来避免一旦转子产生爆裂或定子与转子相碰时发生意外。由上可见

，飞轮电池系统主要包括三个核心部件

：一个飞轮

，

电动机—发电机集成和双向电力电子变换装置。

而整个的飞轮电池技术具有明显的多学科交叉和系统集成的特点。二、

飞轮电池的结构2

、

能量转换效率高

。

因为采用了无接触主动磁悬浮轴承

，

飞轮轮轴和轴

承之间无摩擦

，

飞轮本体在真空容器

内高速旋转

，

机械损耗几乎可以忽略

不计

，

飞轮电池输入输出的能量效率

可达95%左右。1

、

能量密度高

，

功率密度大。飞轮电池的储能密度可达100～

200W

·

h／kg

，

比镍氢电池大2－

3倍；

功率密度可达

5000～

10000W／kg

，

高于一

般化学蓄电池和内燃机

，

也远

远超过锂离子电池。三、

飞轮电池的优点3

.充

、

放电速度快

。

飞轮电池能在十几分钟内完成快速充电且能量储存时间长

，

并且不存在其它化学电池经常快充会影响电池寿命的问题。4

.损耗低

，

无需维护

。

磁悬浮轴承和真空环境使飞轮电池几乎无需维护

，

维护成本十分有限。5

.无污染

。

飞轮电池是一种物理电池

，

为纯机械结构

，

在整个的使用和维护过程中

，

不会产生任何化学材料垃圾。三、

飞轮电池的优点8

、

工作温度范围宽

。

飞轮电池跟化学电池相比

，

对环境温度没有严格要求。6

、

使用寿命长

。

飞轮电池可以无数次充放电

，

预期使用寿命至少可达20年以上

，

远远长于各种化学蓄电池。7

、

体积小

，

重量轻

。

飞轮直径约二十多厘米

，

总重只有十几千克左右。三、

飞轮电池的优点存在一定的能量浪费问题

。

飞轮一

旦充电

，

就会不停地转动下去

。

当没有负载接入时

，

飞轮处于停止工作状态

，

但并不是飞轮停转了

，

而

是飞轮在空转

，

白白浪费了一定的能量

，

但能量损失不会太大。结构复杂

，

技术要求高

。

飞轮电池的结构里包含多个关键部件

，

分别涉及到磁悬浮技术和超导技术

，

还有集成式高速电机的性能与控制

、

复合材料技术

、

真空技术

、

电力电子技术等

，

这些部件和相关技术的

要求都比较高。成本高

。目前制造飞轮电池所需的碳纤维材料还很贵

，

导致成本比较高。四、

飞轮电池当前存在的问题1、

交通运输行业飞轮电池由于能快速的充放电

，

具有独立而稳定的能量输出

，

重量轻

，

可降低车辆的噪声

，

提高车辆

的加速性能

，

非常适合车辆应用。

在汽车行业中

，

20

世纪80年代初瑞士Oerlikon

Energy公司研制成功第

一辆完全由飞轮提供能量的公共汽车

，

该车所用飞轮

直径163cm

，

可载乘客70名

，

在行驶过程中

，

需要

在每个车站(站间距约800m)停车充电2min；

美国飞

轮系统公司（AFS）

生产出了以克莱斯勒LHS轿车为

原形的飞轮电池轿车AFS20

，

该车一次充电可行驶

600km

，

由0到96km/h加速时间为6.5秒。五、

飞轮电池的应用范围在火车方面

，

德国西门子公司已研制出长1

.

5m

，

宽0

.

75m的飞轮电池，可提供3MW的功率

，

同时可储存30%的刹车能

。

如图3

-

7所示是一辆电动公交客车。五、

飞轮电池的应用范围2

、

航空航天行业由于飞轮储能装置的储能密度很大

，

运行的时候损耗很小

，

基本上不用维护

，

并且

随着材料科学和磁悬浮轴承技术的不断发

展

，

飞轮储能装置可以做得很小甚至小到

能装进卫星壁中来使用

，

也可用于太空空

间站的太阳能储能电池中

。

美国太空总署

已在空间站安装了48个飞轮电池

，

联合在

一起可提供超过150kW的电能。3

、

UPS电源。飞轮电池作为稳定电源

，

可提供几秒到几分钟的电能

，

这段时间足以保证工厂进行电源切换

。

德国GmbH