[发明专利]一种超薄式车载磁悬浮飞轮电池及其工作方法

说明书

本发明公开一种用于电动汽车的超薄式车载磁悬浮飞轮电池及其工作方法，外壳内自上而下同轴设置电机支架、轴向磁通电机、飞轮、五自由度磁轴承的内定子、线圈和永磁体，飞轮由连续的上、中、下三层组成，上层的飞轮上环形层的正中间是上环形凹槽，轴向磁通电机置放在上环形凹槽内，环形内槽、中层圆环腔和下环形凹槽相通且共同置放五自由度磁轴承的内定子、线圈和永磁体，五自由度磁轴承从内至外分别是轴向磁轴承、斥力磁轴承、扭转磁轴承和径向球面磁轴承；采用不同性质磁轴承复用的模式，实现其优势互补，不仅可提高磁轴承支承的承载力和控制精度，显著提高飞轮的稳定性，又可有效弥补复杂工况导致控制线圈损耗较大的问题。

技术领域

本发明涉及一种飞轮电池，也称飞轮储能装置，具体是用于电动汽车的五自由度磁悬浮飞轮电池。

背景技术

飞轮电池是一种新概念储能装置，它突破了化学电池的局限，通过飞轮高速旋转实现物理储能，具有无污染、能量转换效率和功率密度高、循环寿命长、对温度不敏感等特点，是新能源汽车领域极具发展潜力的动力电池。然而，目前车载磁悬浮飞轮电池在实际应用和普及上，存在的主要障碍系占用轴向空间大、面对复杂车辆行驶工况及路况时(即车辆行驶工况及路况变化等)，存在安全稳定性不足，损耗过大等问题。

占用空间方面：目前大多数飞轮电池系统的拓扑结构是将飞轮转子、磁悬浮轴承和电机均围绕惯性主轴独立布置，由于惯性主轴的存在，整个拓扑将向轴向延伸。而车载的环境又限制飞轮电池整体拓扑在轴向空间上的延伸，轴向长度的限制又会影响飞轮临界转速，进而影响飞轮的储能特性。由此，传统的带有惯性主轴的飞轮电池拓扑结构的特性往往被其轴向空间利用率所限制。虽然，中国专利申请号为201910072060.7，名称为“电动汽车用虚拟轴式磁悬浮飞轮储能装置”提出了去掉“惯性主轴”的拓扑结构，其将飞轮与部分磁轴承内嵌，且与电机内嵌的“无轴”结构可很好解决这一问题，因此去掉“惯性主轴”的方式尤其适用于车载飞轮电池的应用，其可以较好的减小轴向占用空间大的问题。然而，目前的“无轴”类飞轮电池系统的轴向长度仍有进一步缩短的空间，因此如何进一步降低轴向空间利用率，甚至设计“超薄”式的拓扑结构，以便其更方便安装于汽车的任何位置，更有利于车载磁悬浮飞轮电池系统的推广应用，具有重要的研究意义。

稳定性方面：车载飞轮电池不可避免地会受飞轮高速运转、车辆行驶工况(上坡、下坡、启动、加速、减速、刹车、转弯)以及复杂路况的影响而导致严重的陀螺效应，因而影响了系统的稳定性。而目前大多飞轮电池系统均采用基于麦克斯韦力的磁轴承(磁阻力磁轴承)进行飞轮的稳定性控制，即或者是分别采用永磁轴承、混合磁轴承、主动磁轴承，或将几种形式的磁轴承组合，而无论怎么组合均是单一形式的磁轴承系统，而磁阻力磁轴承是通过控制气隙磁通的多少来改变电磁力。洛伦兹力磁轴承是一种区别于传统基于麦克斯韦力原理的磁轴承，其是基于安培定则，即通电线圈置于磁场可以产生安培力。洛伦兹力磁轴承的电磁力与电流成正比，磁阻力磁轴承的电磁力与控制电流的平方成正比，因此洛伦兹力磁轴承的控制精度更高，但是缺点是承载力且损耗大，而磁阻力磁轴承承载力大，但是精度略低。因此若将不同性质的磁轴承复用到车载飞轮电池的悬浮系统中，实现两类磁轴承的优势互补，不仅可以提高悬浮支承系统的承载力，又可提高其控制精度，显著提高飞轮的稳定性。

系统损耗及控制方面：目前普遍采用的车载飞轮电池系统控制策略使系统在同一时刻内，几乎所有磁轴承均参与控制，而洛伦兹力磁轴承虽然控制精度高，但是控制线圈导致的损耗较高，在面对简单车辆行驶工况及路况(汽车静止、汽车匀速运动、路面平整、或飞轮待机状态)时，若一味为了更高的控制精度，使洛伦兹力磁轴承始终处于工作状态中，则会产生过多的损耗，而过多的损耗还不能换来更高的控制精度，传统磁阻力磁轴承在简单的工况下足以保证飞轮的控制精度。反之，如若在面对复杂车辆行驶工况及路况下(即上坡、下坡、启动、加速、减速、刹车、转弯及路况变化等)，若适时在某些自由度的控制上加入洛伦兹力磁轴承，则可以在不大幅度增加损耗的基础上，可以明显提高整个系统的控制精度，确保飞轮的高稳定性运行。