基于磁悬浮电机的飞轮电池系统研究

苏伯凯

摘 要：为提高电动汽车动力电池性能，在其基础上增加一个飞轮电池作为辅助电源，可以极大地提高动力电池的充放电特性以及寿命等性能。传统的机械轴承支撑满足不了飞轮的高速运转，而采用磁悬浮电机的飞轮电池系统，实现了飞轮能量转换与悬浮支撑的集成化与一体化，既可以实现飞轮电池机械能与电能的转换，又能实现飞轮的稳定支撑。

关键词：电动汽车;飞轮电池;磁悬浮电机

中图分类号：TM341;TM351文献标识码：A文章编号：1674-1064（2021）03-001-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.03.001

1 背景介绍

随着石油能源枯竭以及全球环境的恶化，电动汽车应运而生并于近年来在全球发展迅猛。据相关数据统计：2020年全球电动汽车销量约为310万辆，预计到2030年，电动汽车销量将与传统燃油车销量持平[1]。然而，由于电动汽车动力电池关键技术如电池寿命、电池容量、电池安全等还未完全攻克，所以在极大程度上制约了新能源汽车行业的发展。

针对电动汽车动力电池，在其基础上增加一个辅助电源协助动力电池充放电，可以在不影响电动汽车性能的前提下减小动力电池的充放电电流;可实现电动汽车的制动能量回收，可有效延长动力电池寿命，并在一定程度上提高动力电池容量。传统的辅助电源一般为超级电容[2]，但是其能量密度较低、寿命短。飞轮电池是利用高速电机带动飞轮加减速旋转，以实现电能与机械能相互转换的装置，是一种采用物理方法储能的新概念电池。其具有能量密度大、充放电效率高、环境友好等优点，可以极大地提高电动汽车的加速性能和续驶里程，是辅助电源的最佳选择之一[3]。然而，传统飞轮电池一般采用机械轴承支撑飞轮，机械支撑方式限制了飞轮的运转速度。而采用基于磁悬浮电机的飞轮电池系统，使用非机械接触的磁力支撑方式，可极大地提高飞轮转速，充分发挥机械式储能的优势[4]。

2 飞轮电池系统工作原理

飞轮电池作为辅助电源与电动汽车的动力电池相互配合，可以大大提高车辆的性能，其工作原理如图1所示。飞轮电池与动力电池并联连接，共同作为驱动电机的电源：当电动汽车动力电池容量充足或处在能量回收工况时，回收的能量通过飞轮电机驱动飞轮高速运转，将电能转变为机械能存储在飞轮中，同时分担了过大的充电电流。当电动汽车处在加速或上坡等大负荷工况时，飞轮电池的机械能通过发电机转换为电能，协助动力电池向驱动电机供电。通过飞轮电池的辅助，动力电池的充放电特性得到了改善，容量得到提升，同时增强了电动汽车的加速性能。

3 基于磁悬浮电机的飞轮电池系统结构

3.1 磁悬浮电机

磁悬浮电机是近年来出现的一类新型结构的电机，其中的永磁同步磁悬浮电机应用较为广泛。其结合了磁轴承与电机的功能，通过定子特定的绕组布置方式，使电机转子既能产生电磁转矩驱动飞轮运转，也能产生沿径向的麦克斯韦力（以下称悬浮力）使转子在电机内部悬浮[5]。永磁同步磁悬浮电机定子绕组结构示意图如图2所示，其中，A、B、C相绕组为产生电磁转矩的转矩绕组，X、Y、Z相绕组为产生悬浮力的悬浮绕组，且两类绕组应满足以下公式：

（1）

式中：Ns为悬浮绕组的极对数，Nt为转矩绕组的极对数;ωs为悬浮绕组电流频率，ωt为悬浮绕组电流频率。

3.2 基于磁悬浮电机的飞轮电池结构

（a）传统飞轮电池结构

（b）基于磁悬浮电机的飞轮电池

图3（a）所示为传统的飞轮电池结构示意图。飞轮在径向上由两组径向磁轴承支撑，在轴向上通过一组轴向磁轴承支撑，飞轮的能量转换通过永磁同步电机实现，整体结构处于真空密闭壳体中以减少阻力。这种布置结构虽然简单，但是飞轮的转速受到永磁电机转速的限制，因此这种结构的飞轮电池所能储存的能量有限。图3（b）所示为基于磁悬浮电机的飞轮电池，该结构是将传统飞轮电池结构中的永磁同步电机替换为磁悬浮电机，构成了基于磁悬浮电机的飞轮电池系统。该飞轮电池集成结构充分发挥了磁悬浮电机在高速運行、磁力支撑的优势，发挥了永磁电机的高效率与高功率的优势，实现了飞轮电池能量转换与磁力支撑的集成化与一体化，可以极大地提高飞轮的运转速度。

4 结语

与传统电池相比，飞轮电池具有无可比拟的优点，也符合未来能源战略发展的方向，非常具有研究意义。作为电动汽车的辅助电源，可以极大地提高其整体性能，然而庞大的结构以及高昂的成本限制了飞轮电池的发展。采用基于磁悬浮电机的飞轮电池，既可以缩小飞轮电池的结构尺寸，降低其成本，也能提高飞轮电池的容量。目前，基于磁悬浮电机的飞轮电池正向着高速化、小型化、低成本化的方向发展，在电动汽车、航空航天、不间断电源等领域有着广阔的发展前景。

参考文献

[1] 旷水章，匡增，彧王虎.新能源汽车技术发展现状和趋势[J].内燃机与配件，2020（22）：188-189.

[2 曹秉刚，曹建波，李军伟，等.超级电容在电动车中的应用研究[J].西安交通大学学报，2008，42（11）：32-34.

[3] 刘春娜.飞轮储能电池应用展望[J].电源技术，2013（11）：1897-1898.

[4] X.Sun，L.Chen，Z.Yang.Overview of bearingless permanent-magnet synchronous motors[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2013，60（12）：5528-5538.

[5] 邓智泉，仇志坚，王晓琳，等.无轴承永磁同步电机的转子磁场定向控制研究[J].中国电机工程学报，2005，25（1）：107-111.