電動車用飛輪儲能,40年前的技術又熱起來了?

2020-12-05 AutoLab

大家應該見過拖拉機的單缸發動機,側面都有一個大大的鐵盤子,這個就是飛輪,可以利用高速旋轉的慣性能量穩定發動機轉速,獲得平穩動力輸出。

但如今有人想把這個大飛輪用在電動車上,當然,作用不是穩定動力輸出,而是看中了它的儲能特性。

有外媒報導,倫敦大學城市學院與Dynamic Boosting Systems公司合作研發了一項飛輪儲能裝置,即飛輪電池,可以為電動車供電。

你可以把它理解為這就是一個機械電池

簡單來說就是通過電動/發電互逆式雙向電機,以物理的方式實現電能與飛輪機械動能之間的相互轉換和儲存。而我們常說的鋰電池屬於化學電池,將化學能與電能相互轉化。

它的結構也不算複雜,典型的飛輪儲能系統由飛輪本體、軸承、雙向電機、電力轉換器和真空室5個主要組件構成。

飛輪本體是飛輪儲能系統的核心部件,作用是力求提高轉子的極限角速度,減輕轉子重量,最大限度地增加飛輪儲能系統的儲能量,多採用碳素纖維材料製作。

雙向電機在儲能時作為電動機運行,由外界回收能量驅動,加速飛輪旋轉,此時電能轉化為動能;在釋能時,電機又轉變為發電機,飛輪帶動電機發電,向驅動電機供電,完成機械能向電能轉化,在這個過程中飛輪轉速會不斷下降。

電力轉換器是為了提高飛輪儲能系統的靈活性和可控性,並將輸出電能通過調頻、整流或恆壓等變換為滿足負荷供電要求的電能。

真空室的主要作用是提供真空環境,降低飛輪旋轉時的風阻損耗。

軸承的性能直接影響飛輪儲能系統的可靠性、效率和壽命。飛輪儲能系統多採用磁懸浮系統,減少電機轉子旋轉時的摩擦,降低機械損耗,提高儲能效率。

聽起來好像很新奇,但其實這項技術早在上世紀八十年代初就已經出現了,當時瑞士Oerlikon工程公司,成功研製出了一輛完全由飛輪驅動的公共汽車。

你可能會好奇,飛輪電池的功率有多大?

在2007年保時捷也曾研究過飛輪電池,並在2009年將這一技術用在了勒芒911 GT3 RHybrid賽車上,當時副駕駛座椅下面安裝了一套飛輪儲能系統,它的重量才103磅(約46.7kg)。

在全速下,飛輪的轉速可以接近4,0000rpm ,16英寸直徑的飛輪可以提供0.2kWh的能量。不要看它容量很小,但功率很大,它可以提供163馬力(約120kW)長達6秒的功率輸出,而且可以頻繁的快速充放電,這為當時的911贏得了不少比賽時間。

因為正常情況下,賽車在激烈駕駛中急加速或急減速都會有極大的功率輸入或輸出,而大功率對化學電池壽命都有極大的損傷,據說在一場24小時的紐伯格林比賽中,電池就要更換三次。

而採用飛輪電池則無需換電池,在無需維護的情況下能夠使用25年,反覆充放電100萬次也不會出現損耗。而且可以說它幾乎沒有功率限制,類似超級電容,可以快速充放電。

另外飛輪電池吸收剎車動能的效果也優於化學電池,比如一般車輛減速度只有0.3g,而飛輪電池能讓賽車減速度達到1g,從而減少制動片磨損,同時還能提升25%的燃油效率。一般一場拉力賽普通車型要換2-3此剎車片,而飛輪電池車型只需更換一次。

這些減少的更換次數都可以為比賽贏得大量時間。後來在保時捷918概念車上,也出現過飛輪儲能系統,可以為前橋兩個電機提供2×75kW的額外動力。

可以說飛輪電池在技術上,性能指標上,安全性上,都很適合汽車使用,但為什麼沒有發展起來呢?

還是因為它性價比低,雖然功率大,但容量難以提升,所以不適合用於跑裡程的電動車,只適合用於需要大功率的車型,例如跑車、卡車等。

事實上,考慮到飛輪儲能量大,儲能密度高,充電快捷,充放電次數無限,國外不少科研機構已將飛輪儲能引入風力發電系統,即:風力發電機組+內燃機組+飛輪儲能。

例如美國的Vista Tech Engineering,將飛輪引入到風力發電系統,實現全程調峰,飛輪機組的發電功率達到300kW,大容量儲能飛輪的儲能為277kW/h。

而隨著複合材料、磁支撐、動發一體機和多學科優化設計技術的不斷進步,飛輪儲能容量或許能進一步提升,應用於汽車行業前景依然廣闊。

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