基本的工作原理

如图2-12所示，将外界输送过来的电能通过电动机转化为飞轮转动的动能储存起来，当外界需要电能的时候，又通过发电机将飞轮的动能转化为电能，输出到外部负载，而空闲运转的时候要求损耗非常小，事实上，为了减少空闲运转时的损耗，提高飞轮的转速和飞轮储能装置的效率，飞轮储能装置轴承的设计一般都使用非接触式的磁悬浮轴承技术，而且将电动机和飞轮都密封在一个真空容器内以减少风阻。

图2-12　飞轮电池工作原理

发电机和电动机通常使用一台电动/发电机来实现，通过轴承和飞轮连接在一起，这样，在实际常用的飞轮储能装置中，主要包括飞轮、轴、轴承、电动/发电机、真空容器和电力电子装置等部件，飞轮电池组成如图2-13所示。

图2-13　飞轮电池组成

当外设通过电力电子装置给电动/发电机供电时，电动/发电机就作为电动机使用，它的作用是给飞轮加速，储存能量；当负载需要电能时，飞轮给电动/发电机施加转矩，电动/发电机又作为发电机使用，通过电力电子装置给外设供电；在整个飞轮储能装置中，飞轮无疑是其中的核心部件，它直接决定了整个装置的储能多少，它储存的能量由下式决定：

式中，E为飞轮储存的能量；j为飞轮的转动惯量，与飞轮的形状和质量有关；ω为飞轮转动的角速度。

由式（2-1）可知，飞轮储能装置储存能量的多少由飞轮的形状、质量和它的转速决定，电力电子装置通常是由FET或IGBT组成的双相逆变器和控制电路，它们决定了飞轮储能装置能量输入输出量的大小。

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。车辆在正常行驶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，保证车辆运行转速在平稳、最优状态下，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。飞轮电池比能量比镍氢电池大2～3倍；飞轮电池比功率高于一般化学蓄电池和内燃机，其快速充电可在18min内完成且能量储存时间长。另外，飞轮电池能进行超快速充电，且无化学电池的缩短使用寿命问题，整个电池的使用寿命远长于各种化学蓄电池。飞轮为纯机械结构，不会像内燃机产生排气污染，同时也没有化学蓄电池的化学反应过程，不会引起腐蚀，也无废料的处理回收问题。