超高速飞轮的定义

早在20世纪50年代，瑞士Oerlikon工程公司就设计出了首辆使用飞轮作动力的客车，该飞轮重1500kg、工作转速3000r/min，在汽车停靠站飞轮进行充电。普通的飞轮采用厚重的钢材质转子，总重油上百公斤而工作转速仅有上百转。相反，先进的飞轮设计使用轻质复合材料转子，质量仅有几十公斤而转速可达上万转，因此被称为超高速飞轮。

超高速飞轮的工具原理

超高速飞轮储能系统包括三个核心部分：飞轮、电动机/发动机和电力电子变换装置，其工作原理如右图：

从原理图可看出，电力电子变换器从外部输入电能驱动电动机旋转，电动机带动飞轮旋转，飞轮储存动能（机械能）。当外部负载需要能量时，用飞轮带动发电机旋转，将动能转化为电能，再通过电子变换器变成负载所需要的各种频率、变压等级的电能，以满足不同的需求。由于输入、输出时彼此独立的，设计时常将电动机和发电机用一台电机来实现，输入输出变换器也合并一个，这样就可以大大减少系统的大小和重量。由于在实际工作中，飞轮的转速可达40000~50000r/min，一般金属制成的飞轮无法承受这样高的转速，所以飞轮一般都采用碳纤维制成，一减少整个系统的重量、为了减少充放电过程中的能量损耗，电机和飞轮都是用磁悬浮轴承以减少机械摩擦，同时将飞轮和电机放置在真空容器中，以减少空气摩擦，这样飞轮电池的输入输出效率可达95%左右。

超高速飞轮的构成部分

　　实际使用的飞轮装置中，主要包括以下部件：飞轮、轴、轴承、电机、真空容器和电力电子变换器，主要结构如右图所示。从结构图可以看出，飞轮是整个装置的核心部件，它直接决定了整个装置的储能多少。电力电子变换器通常是由MOSFET和IGBT组成的双向变换器，他们的原理不再叙述，他们决定了飞轮装置能量输入输出量的大小。

超高速飞轮的优点

超高速飞轮是实现电动汽车储能要求的一种有效方式，它具有高比能量、高比功率、长循环寿命、高能量效率、能快速充电和免维护等优点，成为运气储能装置的一种选择。使用超高速飞轮作辅助能量源的混合动力电动汽车具有和使用超级电容器作辅助能源的混合动力电动汽车相同的优点。首先，减弱了对电池比能量和比功率之间的要求，有利于优化电池的比能量密度和循环寿命设计；其次，由于飞轮的负载均衡作用，降低了电池的输出功率以及放电电流，电池的可利用能量、使用寿命得到了提高；最后，在车辆低功率行驶记忆再生制动时，飞轮可以高效率地实现补充充电。由于负载均衡装置和主能源之间的协调工作和再生制动时的能量回收，车辆的续驶里程明显提高。

超高速飞轮还可以像蓄电池和燃料电池一样，作为独立的能源系统向电动汽车供电，并有可能成为电动汽车应用的远期目标。飞轮有望具有比其它任何电池都高的比能量和比功率，甚至有可能超过内燃机，另外，飞轮的使用寿命不受限制解决了其它能量源存在的使用寿命有限的问题。然而超高速飞轮技术仍然处于萌芽状态，用于电动汽车还有很长的路要走。