什么是飛輪電池技術(shù)？

飛輪電池是一種新型機(jī)械儲(chǔ)能裝置的電池技術(shù)，它利用高速旋轉(zhuǎn)的飛輪將能量以動(dòng)能的形式轉(zhuǎn)化成電能存儲(chǔ)起來。同傳統(tǒng)的電池相比較，飛輪電池具有更高的比能量和比功率，充電時(shí)間短，使用壽命長(zhǎng)，無過度充放電問題。因此，可將飛輪電池應(yīng)用于電動(dòng)汽車中，使飛輪電池和傳統(tǒng)電池共同提供或吸收汽車運(yùn)行中的峰值功率。

1、飛輪電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

上圖為傳統(tǒng)電池和飛輪電池在電動(dòng)汽車中的復(fù)合電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。該系統(tǒng)主要由汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊、電池模塊和飛輪電池模塊三部分組成。其中E為傳統(tǒng)電池的電動(dòng)勢(shì)，R為傳統(tǒng)電池的內(nèi)阻，PWM1為電動(dòng)汽車交流電機(jī)的變流器。

飛輪電池并聯(lián)在系統(tǒng)的直流母線上，主要由高速飛輪、水磁同步電機(jī)和PwM2變流器構(gòu)成飛輪電池在系統(tǒng)中起著提供電能和制動(dòng)能量回收的雙重作用。電動(dòng)汽車加速、爬坡時(shí)，為滿足電動(dòng)汽車的瞬時(shí)大功率要求，飛輪電池快速放電，它和傳統(tǒng)電池一同為電動(dòng)汽車提供能量；電動(dòng)汽車減速、下坡時(shí)，汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)，飛輪電池則工作在充電狀態(tài)，它和傳統(tǒng)電池一起吸收汽車制動(dòng)時(shí)回饋的能量；電動(dòng)汽車正常行駛時(shí)，其驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需功率較小，此時(shí)飛輪電池工作在能量保持模式，僅由傳統(tǒng)電池供電即可滿足要求。

2、飛輪電池的充放電控制

（1）飛輪電池充電控制

電動(dòng)汽車下坡或制動(dòng)時(shí)，它的驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)，向系統(tǒng)直流母線回饋人量電能，飛輪電池和傳統(tǒng)電池共同回收汽車的制動(dòng)能量。飛輪電池工作在充電模式，飛輪的轉(zhuǎn)速升高，電能轉(zhuǎn)化為飛輪的機(jī)械能飛輪電池充電的控制也就是對(duì)匕輪轉(zhuǎn)速的控制，即對(duì)水磁電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制由電機(jī)運(yùn)動(dòng)方程式（4）可知，轉(zhuǎn)速控制的關(guān)鍵在于能否精確地控制電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的輸出。為了滿足飛輪電池的快速充電要求，采用基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的矢量控制，其控制框圖如圖3所示在矢量控制中，控制電機(jī)的定子電流與q軸重合，即id=0，由式（3）可知此時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩te僅由iq決定，定子電流全部用來產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，能夠保證較人的輸出轉(zhuǎn)矩。此時(shí)，水磁同步電機(jī)就相當(dāng)于一臺(tái)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)。采用id=0的矢量控制時(shí)，由式（2）可知定子電流的電樞反應(yīng)中沒有d軸去磁分量，水磁電機(jī)不會(huì)產(chǎn)生退磁現(xiàn)象。

（2）飛輪電池放電控制

電動(dòng)汽車啟動(dòng)或加速時(shí)，需要電源系統(tǒng)輸出很人的功率，飛輪電池和傳統(tǒng)電池工作在放電狀態(tài)上式中，E為傳統(tǒng)電池的電動(dòng)勢(shì)，R為傳統(tǒng)電池的內(nèi)阻，udc為系統(tǒng)直流側(cè)電壓。可見，控制系統(tǒng)的直流側(cè)電壓即可限制傳統(tǒng)電池的放電電流。

飛輪電池放電時(shí)，對(duì)其電機(jī)發(fā)出的交流電進(jìn)行PWM整流控制，采取直流側(cè)電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略。圖4為系統(tǒng)的控制原理框圖。在飛輪電池電機(jī)輸出電壓下降或直流側(cè)電壓擾動(dòng)時(shí)，電壓外環(huán)保證了輸出電壓的穩(wěn)定。電流內(nèi)環(huán)確保系統(tǒng)有快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

電壓調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器都采用帶限幅的PI調(diào)節(jié)器，電壓調(diào)節(jié)器的輸出限幅決定了飛輪電池的最大輸出電流，從而限制了飛輪電池的最大輸出功率。

針對(duì)電動(dòng)汽車在頻繁加速和制動(dòng)時(shí)傳統(tǒng)電池的大電流充放電問題，將飛輪電池技術(shù)應(yīng)用于電動(dòng)汽車中可以延長(zhǎng)傳統(tǒng)電池的使用壽命。