飞轮电池的发展现状与应用

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【摘 要】目前，电动汽车上应用最广泛的电源是铅酸蓄电池，但随着电动汽车技术的发展，铅酸蓄电池由于比能量较低，充电速度较慢，寿命较短，已逐渐被其他蓄电池所取代。正在发展的电源主要有钠-硫电池、镍-镉电池、锂电池、燃料电池、飞轮电池等等，本文主要阐述飞轮电池的目前广阔前景。
【关键词】飞轮电池；现状；应用
随着人们环保意识的增强，全世界人们都在寻找一种无污染或污染小的能量供给方式。飞轮技术由于是电能和机械能的相互转化，不会造成污染，飞轮储能电池的概念起源于上世纪70年代早期，最初只是想将其应用在电动汽车上，但限于当时的技术水平，并没有得到发展。直到上世纪90年代由于电路拓扑思想的发展，碳纤维材料的广泛应用，以及全世界范围对污染的重视，这种新型电池又得到了高速发展。
飞轮电池实际上是一种电能转换和储存装置。飞轮可以储存能量，根据飞轮能够储存和释放能量的特性研制的一种机械式蓄电池就是飞轮蓄电池。在飞轮的内部镶有永久性磁铁，外壳上装有感应线圈，这样飞轮就具有电动机和发电机的双重功能，充电时飞轮中的电机以电动机的形式运行，在外接电源的驱动下带动飞轮旋转，达到极高的转速，从而完成电能—机械能转换的储能过程；放电时飞轮中的电机以发电机的状态运行，在飞轮的带动下对外输出电能，完成机械能—电能转换的释放过程。
飞轮电池充电快，放电完全，非常适合应用于混合能量推动的车辆中。车辆在正常行使时和刹车制动时，给飞轮电池充电；飞轮电池则在加速或爬坡时，给车辆提供动力，保证车辆运行在一种平稳，最优状态下的转速，可减少燃料消耗，空气和噪声污染，并可以减少发动机的维护，延长发动机的寿命。飞轮电池电动汽车利用储存在随车飞轮中的机械能驱动汽车前进。它的推进系统由飞轮电池，电机控制器，电机和传动系统等组成。
飞轮电池实际上是一种机-电能量转换和储存装置。飞轮可以储存能量，根据飞轮能够储存和释放能量的特性研制的一种机械式蓄电池就是飞轮蓄电池。在飞轮的内部镶有永久性磁铁，外壳上装有感应线圈，这样飞轮就具有电动机和发目前随着环境保护意识的提高以及全球能源的供需矛盾，开发节能及采用替代能源的环保型汽车，以减少对环境的污染，成为当今世界汽车产业发展的一个重要趋势。汽车制造行业纷纷把目光转向电动汽车的研制。能找到储能密度大，充电时间短，价格适宜的新型电池，是电动汽车能否拥有更大的机动性并与汽油车一争高下的关键。而飞轮电池因具有清洁，高效，充放电迅捷，不污染环境等特点而受到汽车行业的广泛重视。预计21世纪飞轮电池将会是电动汽车行业的研究热点。
飞轮电池充电快，放电完全，非常适合应用于混合能量推动的车辆中。车辆在正常行使时和刹车制动时，给飞轮电池充电；飞轮电池则在加速或爬坡时，给车辆提供动力，保证车辆运行在一种平稳，最优状态下的转速，可减少燃料消耗，空气和噪声污染，并可以减少发动机的维护，延长发动机的寿命。飞轮电池电动汽车利用储存在随车飞轮中的机械能驱动汽车前进。它的推进系统由飞轮电池，电机控制器，电机和传动系统等组成。
飞轮电池实际上是一种机-电能量转换和储存装置。飞轮可以储存能量，根据飞轮能够储存和释放能量的特性研制的一种机械式蓄电池就是飞轮蓄电池。在飞轮的内部镶有永久性磁铁，外壳上装有感应线圈，这样飞轮就具有电动机和发电机的双重功能。充电时飞轮中的电机以电动机的形式运行，在外接电源的驱动下带动飞轮旋转，达到极高的转速，从而完成电能-机械能转换的储能过程；放电时，飞轮中的电机以发电机的状态运行，在飞轮的带动下对外输出电能，完成机械能-电能转换的释放过程 。
但是，飞轮储能方法一直未能得到广泛的应用，其主要有三点原因；飞轮本身的能耗主要来自轴承摩擦和空气阻力；常规飞轮是有钢（或铸铁）制成，储能有限；要完成电能机械能的转换，还需要一套复杂的电力电子装置。目前，飞轮储能技术取得突破性进展是基于下述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；二是高强纤维复合材料的问世；三是电力电子技术的飞速发展。就目前的技术来看，飞轮电池电动汽车还不能广泛应用，根据飞轮储能装置本身的特点来讲，它更加适用于复合动力汽车和混合电动汽车技术中，复合电力汽车是靠内燃机和电动机两种方式共同提供推动力的，在汽车正常行驶和制动的时候给电池充电，汽车爬坡和加速，需要功率大的时候让电池放电。
由于普通汽车在正常行驶的时候，功率仅为最大功率的四分之一，复合电力汽车中蓄电池和电动机的加入恰好可以解决这个问题，这样，复合动力汽车就可以不用按照汽车的最大功率来进行设计，以避免出现在正常行驶的过程中出现大马拉小车的现象，大幅度提高汽车的性能。复合动力汽车技术早就得到了科学家们的重视，美国和许多欧洲国家都已经开始应用。首先，在汽车的使用过程中，电池的充放电次数很多，而一般的化学电池的充放电次数很难提高，其次，在汽车的使用过程中，电池的放电深度很不规则，对于化学电池的寿命就会有很大的影响，最后，要求点吃的充方速度快，这样才能满足汽车电动机电池的需要。但是，对于飞轮储能装设来说却不难。随着磁悬浮技术的发展，飞轮的充放电次数远远大于汽车电池使用的需要，而且飞轮的充放电是化学能和机械能的互相转化，它的放电深度可大可小，绝不会影响电池寿命，同时，由多台驱动的飞轮系统可以在很短的时间内达到几万转的转速。此外，在飞轮储能装置中，决定输入输出的器件是它外接的电力电子器件，而与外部的负载没有关系，还可以很方便地通过控制飞轮的旋转速度来控制飞轮的充电，这种特点在化学电池中实现起来要困难得多。
飞轮电池与其它电池进行比较可得到飞轮电池的优点。现在，使用最多最广的储能电池无疑是化学电池，它将电能转变为化学能储存，再转化为电能输出，它价格低廉，技术成熟，但污染严重，效率低下，充电时间长，用电时间短，使用过程中电能不易控制。另一储能电池是超导电池，它把电能转化为磁能储存在超导线圈的磁场中，由于超导状态下线圈没有电阻，所以能量损耗非常小，效率也高，对环境污染也小。但由于超导状态是线圈处于极低温度下才能实现，维持线圈处于超导状态所需要的低温需耗费大量能源，而且维持装置过大，不易小型化，所以家用市场前景不强。
结束语：
作为一种新兴的储能方式，飞轮电池所拥有传统化学电池无法比拟的优点已被人们广泛认同，它非常符合未来储能技术的发展方向。目前，飞轮电池除了上面介绍的应用领域以外，也正在向小型化、低廉化的方向发展。现在，最可能出现的是手机电池。可以预见，伴随着技术和材料学的进步，飞轮电池将在未来的各行各业中发挥重要的作用。
【参考文献】
[1]刘洪恩.新能源应用技术系列教材：新能源概论，北京：化学工业出版社，2013.8.1.
[2]胡骅，宋慧.“十二五”普通高等教育车辆工程专业规划教材：电动汽车（第3版），北京：人民交通出版社，2012.1.1.
[3]赵振宇，王慧怡.新能源汽车技术，北京：人民交通出版社，2013.4.