混合动力客车飞轮电池中高速复合材料飞轮的设计与仿真

本文首先论述了国内外飞轮电池的研究现状，分析了其发展趋势，探讨了我国在飞轮电池研究方面存在的问题和不足，提出混合动力公交客车飞轮电池中复合材料高速飞轮的设计构想。 本文根据混合动力客车对飞轮电池中飞轮的性能要求以及国内的生产实际水平，在对多种不同复合材料组合和不同结构形状的飞轮进行计算分析的基础上，得到一种飞轮设计，并计算了它的极限转速和临界转速。与课题组的原有飞轮方案相比，其储能密度提高了111％。而且工艺水平要求较低，制造简单，是一种较优的设计。 在此基础上对高速复合材料飞轮进行了形状优化设计，将复合材料有限元分析方法和优化设计技术相结合，提出了复合材料的形状优化的方法，分别建立了以高速复合材料飞轮的以储能密度最大为目标函数的形状优化模型和以质量最轻为设计目标的形状优化模型，并以混合动力客车飞轮电池中高速复合材料飞轮作为具体应用，使其在满足强度条件和几何约束条件下，分别寻求其最大储能密度和最轻质量，从而为高速复合材料飞轮的形状优化设计提供参考依据。 本文还探讨了飞轮电池的能量特性，建立了飞轮电池的能量仿真模型，提出用飞轮运转状态k来类比化学电池的SOC，并用Simulink对所设计的飞轮电池进行了仿真分析。计算结果表明，提出的以运转状态k来建立能量模型的方法比以储能程度类比SOC的方法更有利于为ADVISOR添加飞轮电池模型，为其二次开发打下了基础。 本文的研究成果为复合材料飞轮的设计与分析提供了有效的计算模型和数值计算手段，同时为类似的复合材料结构件转子的研制与开发提供了有价值的参考。