一种智能飞轮锂电池电能及动能输出或存储装置

摘要

本发明涉及一种智能飞轮锂电池电能及动能输出或存储装置，属于新能源汽车技术领域。包括能量输出输入单元、能量存储单元和能量管理单元三个基本单元组成；能量输出输入单元包括：动力输出齿轮、飞轮电机主轴、电机外壳和转子电磁极；能量存储单元包括锂电池飞轮储能模块和动平衡自动调节模块两个子模块；能量管理单元包括：由电力无线输出及信息交互板，电力无线接收及控制信息交互板、电池管理电路板、动力输出控制电路板。本发明将蓄电池和飞轮电池的优点结合，直接利用蓄电池来构建飞轮，提高了储能密度；通过控制电流来控制电磁力，使得电能和动能输出及存储之间的相互转换极为简洁。

说明书

技术领域

本发明涉及一种智能飞轮锂电池电能及动能输出或存储装置，属于新能源技术领域。

背景技术

飞轮电池兼顾了化学电池、燃料电池和超导电池等储能装置的诸多优点，主要表如下几个方面：(1)能量密度高：储能密度可达100～200wh/kg，功率密度可达5000～l0000w/kg；(2)能量转换效率高：工作效率高达百分之90；(3)体积小、重量轻：飞轮直径约二十多厘米，总重在十几千克左右；(4)工作温度范围宽：对环境温度没有严格要求；(5)使用寿命长：不受重复深度放电影响，能够循环几百万次运行，预期寿命20年以上；(6)低损耗、低维护：磁悬浮轴承和真空环境使机械损耗可以被忽略，系统维护周期长。

缺点是：（1)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，容易解体，所以飞轮一般都采用碳纤维制成，制造飞轮的碳纤维材料目前还很贵，成本比较高；（2)飞轮一旦充电，就会不停转动下去。当我不用电时，飞轮还在那里转动，浪费了能量。例如给一辆飞轮电池汽车充电后，该汽车可以行驶三小时，汽车走了两个小时后，车主需要就餐半小时，这半小时飞轮在空转。解决的办法：给飞轮电池配备化学充电电池，当不需要用电时，可把飞轮转动的电能充进化学电池中。但是给飞轮电池配备化学电池带来的问题是，增加了汽车或设备的重量。

对于目前的电池储能密度：铅酸蓄电池 40Wh/kg，镍镉蓄电池50-60Wh/kg，锂离子电池130-150Wh/kg。由此可见，飞轮电池接近锂电池。如果能将蓄电池和飞轮电池的优点结合，进一步提高储能密度是一个亟待解决的问题。

另一方面，在混合动力汽车中，电能和动能的频繁转换导致转换机构和控制机构复杂，设备重量增加，可否有更简单结构存在，这将进一步简化新能源车的结构。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种智能飞轮锂电池电能及动能输出或存储装置，将电机和锂电池飞轮进行组合，电机可实现动力输出以及定动机发电机状态转换，飞轮块由锂电池单体组合构成，经过微控制器控制执行驱动电路控制相对应的设备, 输出和存储动力。

本发明的技术方案是：一种智能飞轮锂电池电能及动能输出或存储装置，其特征在于：包括能量输出输入单元、能量存储单元和能量管理单元；

所述能量输出输入单元包括：电机、动力输出齿轮1、动力输出轴2、动力轴轴承座3、动力轴轴承4、飞轮电机主轴5、飞轮电机主轴顶端轴承6、飞轮锂电池外壳7、电机外壳8、电机定子电磁极9、转子电磁极10、主轴电机穿线管上出口11-1、主轴电机穿线管下入口11-2、飞轮电机主轴中位轴承12；

能量存储单元包括锂电池飞轮储能模块和动平衡自动调节模块两个子模块；

所述锂电池飞轮储能模块包括锂电池飞轮内层壳体14、锂电池飞轮外层壳体15、锂电池16、电池安放外层侧板17、电池安放内层侧板18、真空抽气端27、真空泵28；

所述动力输出齿轮1安装在动力输出轴2的顶端，动力输出轴2嵌套在动力轴轴承4上，动力轴轴承4固定在动力轴轴承座3上，动力输出轴2与电机外壳8具有一体结构，飞轮电机主轴5嵌入动力输出轴2底部空间内，电机外壳8的上端与飞轮电机主轴5之间设有飞轮电机主轴顶端轴承6，电机外壳8的下端与飞轮电机主轴5之间设有飞轮电机主轴中位轴承12，电机外壳8内部为电机腔室，飞轮锂电池外壳7顶端与动力输出轴2处于密封状态，避免空气进入真空腔室，电机定子永磁极9绕飞轮电机主轴5轴对称安装在电机外壳8上，转子电磁极10固定安装在飞轮电机主轴5的前端，锂电池16的电线和信号线从主轴电机穿线管下入口11-2进入后，再从主轴电机穿线管上出口11-1出来连接电机，实现电机和锂电池16相互连通；

所述锂电池16通过打开电池安放外层侧板17和电池安放内层侧板18放置到锂电池飞轮内层壳体14内，固定安装在动平衡安装底板19上，单体锂电池之间无间隙；锂电池飞轮内层壳体14内部为电池飞轮腔室，电机腔室与电池飞轮腔室之间形成间隙13，间隙13使得输出输入单元与能量存储单元的真空腔室联通；电池安放外层侧板17固定在锂电池飞轮外层壳体15上，电池安放内层侧板18固定在锂电池飞轮内层壳体14上，锂电池飞轮外层壳体15下端设有真空抽气端27，真空抽气端27连接真空泵28，真空泵28抽吸锂电池飞轮内层壳体14和锂电池飞轮外层壳体15之间空腔内空气，使得锂电池飞轮内层壳体14和锂电池飞轮外层壳体15之间空腔为真空；

所述动平衡自动调节模块包括动平衡安装底板19、振动偏移电磁检测传感器20、动平衡调节螺杆21、动平衡调节块22、动平衡调电机23、飞轮电机主轴末端轴承24、动平衡控制电路板31；

所述动平衡控制电路板31固定安装在动平衡安装底板19上，动平衡安装底板19上开设有三条360^o均分轴对称的槽，三条槽内均安装有动平衡调节螺杆21、动平衡调节块22，动平衡调节螺杆21为圆柱形杆，动平衡调节螺杆21穿过动平衡调节块22内部，动平衡调节块22为扁平状，平衡调节螺杆21、动平衡调节块22整体嵌入平衡安装底板19上的槽内，动平衡调节块22厚度低于槽的深度，动平衡调电机23的转轴为动平衡调节螺杆21，动平衡调节螺杆21穿过动平衡调节块22，动平衡调节块22内设内螺纹，动平衡调节螺杆21转动时，动平衡调节块22平行移动；

在锂电池飞轮内层壳体14外侧底端安装振动偏移电磁检测传感器铁磁感应线圈20-1，在锂电池飞轮外层壳体15内侧底端对应位置安装振动偏移电磁检测传感器铁磁头20-2，通过检测三个振动偏移电磁检测传感器铁磁感应线圈20-1感应电流的差异，即可判断振动的强弱，将差异电信号输入到动平衡控制电路板31进行分析运算，然后控制动平衡调电机23转动，驱动动平衡调节螺杆21转动，使得动平衡调节块22发生位移，自动调节动平衡，使得三个振动偏移电磁检测传感器铁磁感应线圈20-1感应电流的差异为零，实现振动最小化；

所述能量管理单元包括电力无线输出及信息交互板25、电力无线接收及控制信息交互板26、电力输出线及信号线29、电池管理电路板30、动力输出控制电路板32；

所述电力无线输出及信息交互板25安装固定在飞轮电机主轴5下端面上，用于小功率电力无线输出及控制信息交互，电力无线接收及控制信息交互板26安装在锂电池飞轮外层壳体15底端轴心位置，用于小功率电力无线接收及控制信息交互，电力输出线及信号线29连接电力无线接收及控制信息交互板26，将无线接收到的电力输出，为蓄电池33充电，电池管理电路板30和动力输出控制电路板32固定安装在动平衡安装底板19上，动力输出控制电路板32的信号线连接电力无线输出及信息交互板25，通过电力无线接收及控制信息交互板26与外部控制信息实现无线通讯。

所述的电池安放外层侧板17用螺丝密封固定在锂电池飞轮外层壳体15上，电池安放内层侧板18用螺丝固定在锂电池飞轮内层壳体14上，结构简单，安装方便。

本发明的有益效果是：将蓄电池和飞轮电池的优点结合，直接利用蓄电池来构建飞轮，提高了储能密度；通过控制电流来控制电磁力，使得电能和动能输出及存储之间的相互转换极为简洁，摒弃了复杂的新型齿轮结构，极大的降低了生产成本，减小了设备的故障率，将是未来新能源车动力结构发展的新方向，具有良好的社会效益和经济效益。

附图说明

图1是本发明整体结构剖面示意图；

图2是本发明电机横截面示意图；

图3是本发明动平衡自动调节模块结构图；

图4是本发明动平衡自动调节模块的电路原理图；

图5是本发明中动平衡自动调节模块工作原理逻辑框图；

图6是本发明整体动力输出结构示意图。

图中各标号为：1.动力输出齿轮，2.动力输出轴，3.动力轴轴承座，4.动力轴轴承，5.飞轮电机主轴，6.飞轮电机主轴顶端轴承，7.飞轮锂电池外壳，8.电机外壳，9.电机定子永磁极，10.转子电磁极，11-1.主轴电机穿线管上出口，11-2.主轴电机穿线管下入口，12.飞轮电机主轴中位轴承，13.间隙，14.锂电池飞轮内层壳体，15.锂电池飞轮外层壳体，16.锂电池，17.电池安放外层侧板，18.电池安放内层侧板，19.动平衡安装底板，20-1.振动偏移电磁检测传感器铁磁感应线圈，20-2.振动偏移电磁检测传感器铁磁头，21.动平衡调节螺杆，22.动平衡调节块，23.动平衡调电机，24.飞轮电机主轴末端轴承，25.电力无线输出及信息交互板，26.电力无线接收及控制信息交互板，27.真空抽气端，28.真空泵，29.电力输出线及信号线，30.电池管理电路板，31.动平衡控制电路板，32.动力输出控制电路板，33.蓄电池。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。

实施例1：如图1-6所示，一种智能飞轮锂电池电能及动能输出或存储装置，包括能量输出输入单元、能量存储单元和能量管理单元；

所述能量输出输入单元包括：电机；

动力输出齿轮1，用于输出或输入动能；

动力输出轴2，用于将电机扭矩传输给动力输出齿轮1；

动力轴轴承座3， 用于固定动力轴轴承4；

动力轴轴承4，用于支撑动力输出轴2旋转，降低其运动过程中的摩擦系数，并保证其回转精度；

飞轮电机主轴5，用于支承转动锂电池16并与之一起回转以传递存储动能的扭矩；

飞轮电机主轴顶端轴承6，用于支撑动力输出轴5旋转，降低其运动过程中的摩擦系数,并保证其回转精度；

飞轮锂电池外壳7，用于固定保护智能飞轮锂电池电能-动能输出/存储装置电机；

电机外壳8，用于固定安装保护电机定子永磁极9；

电机定子永磁极9，用于电机发电及扭矩输出和输出；

转子电磁极10，用于输出扭矩（电动机状态）或者收入能量（发电机状态）；

主轴电机穿线管上出口11-1，锂电池16与电机转子的连接电力线出口；

主轴电机穿线管下入口11-2，锂电池16与电机转子的连接电力线入口；

飞轮电机主轴中位轴承12，用于固定动力输出轴5旋转，降低其运动过程中的摩擦系数，并保证其回转精度；

能量存储单元包括锂电池飞轮储能模块和动平衡自动调节模块两个子模块；

所述锂电池飞轮储能模块包括：

锂电池飞轮内层壳体14，用于固定保护智能飞轮锂电池电能-动能输出/存储装置的锂电池16；

锂电池飞轮外层壳体15，用于固定保护智能飞轮锂电池电能-动能输出/存储装置储能单元；

锂电池16，用于电化学储存电能；

电池安放外层侧板17，用于安装和检修锂电池16；并起保护作用；

电池安放内层侧板18，用于安装和检修锂电池16，并起保护作用；

真空抽气端27，用于真空泵抽真空提供端口；

真空泵28，用于抽真空；

所述动力输出齿轮1安装在动力输出轴2的顶端，动力输出轴2嵌套在动力轴轴承4上，动力轴轴承4固定在动力轴轴承座3上，动力输出轴2与电机外壳8具有一体结构，飞轮电机主轴5嵌入动力输出轴2底部空间内，电机外壳8的上端与飞轮电机主轴5之间设有飞轮电机主轴顶端轴承6，电机外壳8的下端与飞轮电机主轴5之间设有飞轮电机主轴中位轴承12，电机外壳8内部为电机腔室，飞轮锂电池外壳7顶端与动力输出轴2处于密封状态，避免空气进入真空腔室，电机定子永磁极9绕飞轮电机主轴5轴对称安装在电机外壳8上，转子电磁极10固定安装在飞轮电机主轴5的前端，锂电池16的电线和信号线从主轴电机穿线管下入口11-2进入后，再从主轴电机穿线管上出口11-1出来连接电机，实现电机和锂电池16相互连通；

所述锂电池16通过打开电池安放外层侧板17和电池安放内层侧板18放置到锂电池飞轮内层壳体14内，固定安装在动平衡安装底板19上，单体锂电池之间无间隙；锂电池飞轮内层壳体14内部为电池飞轮腔室，电机腔室与电池飞轮腔室之间形成间隙13，间隙13使得输出输入单元与能量存储单元的真空腔室联通；电池安放外层侧板17固定在锂电池飞轮外层壳体15上，电池安放内层侧板18固定在锂电池飞轮内层壳体14上，锂电池飞轮外层壳体15下端设有真空抽气端27，真空抽气端27连接真空泵28，真空泵28抽吸锂电池飞轮内层壳体14和锂电池飞轮外层壳体15之间空腔内空气，使得锂电池飞轮内层壳体14和锂电池飞轮外层壳体15之间空腔为真空；

所述动平衡自动调节模块包括：

动平衡安装底板19，用于固定安装动平衡装置；

振动偏移电磁检测传感器20，用于检测转动偏移量；

动平衡调节螺杆21，用于固定调节动平衡调节块22；

动平衡调节块22，用于调节动平衡；

动平衡调电机23，用于转动动平衡调节螺杆21，调节动平衡；

飞轮电机主轴末端轴承24，用于固定支撑动力输出轴5旋转，降低其运动过程中的摩擦系数，并保证其回转精度；

动平衡控制电路板31，用于智能控制动平衡调电机23，调节动平衡；

所述动平衡控制电路板31固定安装在动平衡安装底板19上，动平衡安装底板19上开设有三条360^o均分轴对称的槽（参见图3），三条槽内均安装有动平衡调节螺杆21、动平衡调节块22，动平衡调节螺杆21为圆柱形杆，动平衡调节螺杆21穿过动平衡调节块22内部，动平衡调节块22为扁平状，平衡调节螺杆21、动平衡调节块22整体嵌入平衡安装底板19上的槽内，动平衡调节块22厚度低于槽的深度，动平衡调电机23的转轴为动平衡调节螺杆21，动平衡调节螺杆21穿过动平衡调节块22，动平衡调节块22内设内螺纹，动平衡调节螺杆21转动时，动平衡调节块22平行移动；

在锂电池飞轮内层壳体14外侧底端安装振动偏移电磁检测传感器铁磁感应线圈20-1，在锂电池飞轮外层壳体15内侧底端对应位置安装振动偏移电磁检测传感器铁磁头20-2，通过检测三个振动偏移电磁检测传感器铁磁感应线圈20-1感应电流的差异，即可判断振动的强弱，将差异电信号输入到动平衡控制电路板31进行分析运算，然后控制动平衡调电机23转动，驱动动平衡调节螺杆21转动，使得动平衡调节块22发生位移，自动调节动平衡，使得三个振动偏移电磁检测传感器铁磁感应线圈20-1感应电流的差异为零，实现振动最小化（参见图3），具体的调节原理及流程可参见图5；

所述能量管理单元包括：

电力无线输出及信息交互板25，用于电力无线输出及信息交互；

电力无线接收及控制信息交互板26，用于电力无线接收及控制信息交；

电力输出线及信号线29，用于电力输出及信号传输；

电池管理电路板30，用于电池智能管理；

动力输出控制电路板32，用于动力输出控制，合理分配电能和转动惯量的能量输入输出；

所述电力无线输出及信息交互板25安装固定在飞轮电机主轴5下端面上，用于小功率电力无线输出及控制信息交互，电力无线接收及控制信息交互板26安装在锂电池飞轮外层壳体15底端轴心位置，用于小功率电力无线接收及控制信息交互，电力输出线及信号线29连接电力无线接收及控制信息交互板26，将无线接收到的电力输出，为蓄电池33充电，电池管理电路板30和动力输出控制电路板32固定安装在动平衡安装底板19上，动力输出控制电路板32的信号线连接电力无线输出及信息交互板25，通过电力无线接收及控制信息交互板26与外部控制信息实现无线通讯。

所述的电池安放外层侧板17用螺丝密封固定在锂电池飞轮外层壳体15上，电池安放内层侧板18用螺丝固定在锂电池飞轮内层壳体14上。

本发明的工作原理是：所述动力输出齿轮1安装在动力输出轴2的顶端，动力输出轴2嵌套动力轴轴承4固定在动力轴轴承座3上，动力输出轴2与电机外壳8具有一体结构（参见图1），飞轮电机主轴5嵌入动力输出轴2底部空间内，电机外壳8的上端与飞轮电机主轴5之间设有飞轮电机主轴顶端轴承6，电机外壳8的下端与飞轮电机主轴5之间设有飞轮电机主轴中位轴承12，这样的结构使得电机外壳8也构成一个转动的部件，可以构成扭矩输出的部件；电机腔室与电池飞轮腔室之间的间隙13使得输出输入单元与能量存储单元的真空腔室联通，飞轮锂电池外壳7顶端与动力输出轴2处于密封状态，避免空气进入真空腔室，真空状态可以减小空气阻尼，提高电机工作效率。

电机定子永磁极9轴对称安装在电机外壳8上，转子电磁极10固定安装在飞轮电机主轴5的前端，锂电池16的电线和信号线从主轴电机穿线管下入口11-2进入后，再从主轴电机穿线管上出口11-1出来连接电机，实现电机和锂电池16相互连通，动力输出控制电路板32的输出端电力线连接电机的转子电磁极10，锂电池电力输出线连接动力输出控制电路板32的输入端。

电流改变输出扭矩：电力无线输出及信息交互板25安装固定在飞轮电机主轴5下端面上，用于小功率电力无线输出及控制信息交互，电力无线接收及控制信息交互板26安装在锂电池飞轮外层壳体15底端轴心位置，用于小功率电力无线接收及控制信息交互，电力输出线及信号线29连接电力无线接收及控制信息交互板26，将无线接收到的电力输出，为蓄电池33充电，电池管理电路板30和动力输出控制电路板32固定安装在动平衡安装底板19上，动力输出控制电路板32的信号线连接电力无线输出及信息交互板25，通过电力无线接收及控制信息交互板26与外部控制信息实现无线通讯。电力无线接收及控制信息交互板26可以发出不同的指令，通过无线传输将控制信号传输到电力无线输出及信息交互板25再通过信号线，传输至动力输出控制电路板32，动力输出控制电路板32根据电力无线接收及控制信息交互板26收到的指令准确的控制电机转子电磁极10的电流来改变转子的电磁极磁场强度，而电机定子永磁极9这场强度是恒定的，这样，通过改变转子磁场的强度来改变电机定子永磁极9受力状态，实现扭矩输出和转速的改变，从而完全控制；

扭矩输入转换成电能储存：在刹车的时候，需要把动能转换成电能，这个时候，动力输出控制电路板32给出指令，电机变成发电机。当扭矩输入时，电机定子永磁极9与转子电磁极10发生相对运动，线圈切割磁力线，产生电流，经整流之后对锂电池16进行充电，完成扭矩输入转换成电能储存；

锂电池飞轮动力输出：当锂电池飞轮需要直接输出扭矩的时候，由于锂电池16和转子电磁极10是一体的，同步转动，只需要控制转子电磁极10的电流强弱，就可以控制电机定子永磁极9受力的强弱，这样就可以把锂电池飞轮存储的转动惯量通过电磁力传输至电机外壳8上的动力输出轴2，通过动力输出齿轮1把扭矩直接输出出来，锂电池飞轮的转速降低；

锂电池飞轮动力输入：如果需要直接把外部的扭矩输入到锂电池飞轮上，其过程是上述的逆过程，即控制转子电磁极10的电流强弱，就可以控制电机定子永磁极9受力的强弱，这样就可以把通过动力输出齿轮1把扭矩通过电机外壳8上的动力输出轴2传输至锂电池飞轮，通过电磁力把外部的转动惯量直接输入到锂电池飞轮，提高锂电池飞轮的转速，将外部扭矩输入的动能进行存储。

所述锂电池16通过打开电池安放外层侧板17和电池安放内层侧板18放置到锂电池飞轮内层壳体14内，固定安装在动平衡安装底板19上，单体锂电池之间无间隙；电池安放外层侧板17锂电池飞轮外层壳体15上（参见图1），用螺丝密封固定，电池安放内层侧板18安装在锂电池飞轮内层壳体14上，用螺丝固定，锂电池飞轮外层壳体15下端设有真空抽气端27，真空抽气端27连接真空泵28，真空泵28抽吸锂电池飞轮内层壳体14和锂电池飞轮外层壳体15之间空腔内空气，使得锂电池飞轮内层壳体14和锂电池飞轮外层壳体15之间空腔为真空，锂电池飞轮在高速转动的时候，在真空环境下，空气阻力将为零，这样就大大的降低了能耗。考虑到电池需要检修，这样就会破坏真空环境，为了保持真空环境，设置了真空泵28和真空度控制单元，但有真空度低于规定值时，自动启动真空泵28，提高真空度。

锂电池飞轮在高速转动的时候，还要考虑另外一个因素，就是震动。动平衡控制电路板31固定安装在动平衡安装底板19上，动平衡安装底板19上开设有三条360^o均分轴对称的槽（参见图3），槽内安装有动平衡调节螺杆21、动平衡调节块22为扁平状，嵌入平衡安装底板19上的槽内，动平衡调节块22厚度低于槽的深度，动平衡调节块22和动平衡调电机23，动平衡调电机23转轴为动平衡调节螺杆21，动平衡调节螺杆21穿过动平衡调节块22，动平衡调节块22内设内螺纹，动平衡调节螺杆21转动时，动平衡调节块22平行移动；在锂电池飞轮内层壳体14外侧底端安装振动偏移电磁检测传感器铁磁感应线圈20-1，在锂电池飞轮外层壳体15内侧底端对应位置安装振动偏移电磁检测传感器铁磁头20-2，通过检三个测振动偏移电磁检测传感器铁磁感应线圈20-1感应电流的差异，即可判断振动的强弱，将差异电信号输入到动平衡控制电路板31进行分析运算，然后控制动平衡调电机23转动，驱动动平衡调节螺杆21转动，使得动平衡调节块22发生位移，自动调节动平衡，使得三个测振动偏移电磁检测传感器铁磁感应线圈20-1感应电流的差异为零，实现振动最小化（参见图3）。具体的调节原理及流程可参见图5。

本发明所采用的无线小功率电力输出目前是成熟的技术，电力无线输出及信息交互板25将电能无线输出给电力无线接收及控制信息交互板26，电力输出线及信号线29连接电力无线接收及控制信息交互板26，将无线接收到的电力输出，为蓄电池33充电，蓄电池33为非动力元件提供电能。

本发明将蓄电池和飞轮电池的优点结合，直接利用蓄电池来构建飞轮，提高了储能密度；通过控制电流来控制电磁力，使得电能和动能输出及存储之间的相互转换极为简洁，摒弃了复杂的新型齿轮结构，将是未来新能源车动力结构发展的新方向。

上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。