電動車用飛輪儲能，40年前的技術又熱起來了？

文/田忠朝

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效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。

有外媒報道，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

簡單來說就是透過電動/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個主要元件構成。

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，多采用碳素纖維材料製作。

雙向電機在儲能時作為電動機執行，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，並將輸出電能透過調頻、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。

軸承的效能直接影響飛輪儲能系統的可靠性、效率和壽命。飛輪儲能系統多采用磁懸浮系統，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，效能指標上，安全性上，都很適合汽車使用，但為什麼沒有發展起來呢？

還是因為它價效比低，雖然功率大，但容量難以提升，所以不適合用於跑里程的電動車，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最佳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。