飞轮储能结构图

飞轮储能的最大优点是其能量密度和功率密度（相关定义见下一节）都非常不错，并且具有高可靠性、高可维护性和超长使用寿命的特点。自20世纪90年代以来，飞轮储能已经广泛的应用于很多工业领域。在近年来，通过采用高强度碳素纤维复合材料、磁悬浮和真空技术以及充分利用电子电力技术的新进展，飞轮储能的性能更有了更大的提高。

在飞轮储能方面，国内有诸多厂商和研究机构已经有相应的产品。而马院士领导的团队在这一领域做了很多的工作，其论文中的原话是，“突破了高能量密度、长脉宽和长寿命的惯性储能技术，创造性地提出了将拖动机、励磁机、旋转整流器及主发电机共轴集成，并将飞轮与转子合二为一的储能电机方案，提高了装置的功率密度和能量密度，解决了脉冲功率装置与不同容量电力系统适配的难题。”对此的一句话解读：我们已经搞定了飞轮储能方式，并解决其与电磁弹射、电磁炮这一类系统的兼容性。

从相关论文中的我们还可以判读出，马院士团队实际上是将惯性储能和发电机融为一体，做成了所谓的储能电机。在连接外部电网充电时表现为一个惯性储能装置，在工作时表现为一个大功率发电机。而后多个这样的储能电机发出的能量，经过相应的功率转换装置，变为可以用来驱动电磁发射装置的巨大能量。受制于储能电机的输出功率等级，相比于需要GW级别瞬时输出功率的电磁轨道炮，电磁弹射器大约百兆级别的瞬时功率需求更为匹配。实际上，MD的福特级航母上的电磁弹射器也采用了飞轮储能模式。

在讨论电磁弹射系统的论文中，马院士团队大篇幅的讨论了和储能电机相关的一系列技术问题，特别是其在很短时间内大幅度提高输出功率时相关的稳定性和励磁调节快速性问题。这种应用模式和电磁弹射器的需求非常吻合，基本可以判定为电磁弹射器的配套储能装置。

6、复合储能：电磁轨道炮的必然之选

相比于电磁弹射器，电磁轨道炮对于瞬时功率的要求要剧烈的多。马院士论文中对此的描述是：以32MJ动能导轨式电磁发射为例，其单次输出能量达百兆焦、瞬时输出功率达数十吉瓦。在需要连续快速发射的场合，单一储能难以满足该要求。海军工程大学提出了导轨式电磁发射装置应采用混合储能方式供电。。。。。

从这一段话里，我们可以读出两个关键信息：其一，电磁轨道炮的瞬时功率要求的确达到了几十吉瓦（GW）级别，这与我们前面的测算一致；其二，已有的任何一种单一能量存储模式，不管是超级电容、惯性储能甚至超导储能，都无法满足电磁轨道炮的能源需求。对此的解决之道，是采用所谓的混合储能方式，而这也一定是936上面那门大炮背后的工作方式。

混合储能的原理图

那什么是混合储能方式？在这里指的是采用大容量锂电池和超级电容器组合的储能方式。那为什么要这么做？混合储能的优势何在？我们首先要了解评估所有储能设备最为关键的两个参数，即能量密度、功率密度的定义：

所谓能量密度就是指每单位重量可以存储的总能量，其单位一般为（wh/kg）。能量密度越高就意味着可以存储的能量越多，比如常用的锂电池能量密度常常是普通铅酸电池的10倍以上，所以使用锂电池的设备可以用更轻巧的体积和重量，实现更长的使用时间；

所谓功率密度是指每单位质量在放电时可以输出的电能功率，其单位一般为（W/kg）。功率密度越高，在输出电能时可以支持的用电设备功率就越大。同样的例子，锂电池的功率密度也在铅酸电池的10倍以上，一个几公斤重的铅酸电池才能启动的发动机，一个比巴掌大不了多少的使用锂电池的汽车启动器也能够做到。

观察现有的储能模式，惯性储能的能量密度和功率密度都相当不错，但可惜距离电磁轨道炮所需要的GW级别的瞬时功率需求距离还挺远，并且受限于其物理结构，进一步提高的空间不大；大容量电池的能量密度很高，但可惜其功率密度不行，无法在极短时间内释放出电磁轨道炮所需要的大电流和高功率；超级电容器的功率密度极大，几乎是唯一可以跟得上电磁轨道炮功率需求的储能方式，但可惜其能量密度不高，基本是一次一充。

所谓的混合储能（也称复合储能）其实就是将锂电池和超级电容器组合起来使用：由锂电池负责从外网中吸收存储电能，发挥其能量密度高，电能存储多的优点；由超级电容器负责向发射轨道供电，发挥其功率密度大，可以支持轨道炮所需的瞬时大电流、高功率的优点；而后由锂电池负责向释放后的超级电容器快速充电（如45s内），以支持电磁轨道炮快速、多次发射的需求。通过这两种储能方式的组合，实现电磁轨道炮所需的高效能源支持。

当然，谈起来容易，做起来难。如何解决两种储能方式的相互连接，如何保证其工程可靠性、如何降低其成本、提高其密度都是一连串的问题。比较值得一提的是，在多篇论文中都提到了马院士团队原创的所谓台阶升压式充电方式，用于实现电池对脉冲电容器的快速充电。台阶升压式充电结构简单，具有近似恒流的输出特性，且开关频率低、损耗小。根据其论文数据，可以降低接近30%的成本，并实现高的工作可靠性和效率。

结语：高效能量管理是电磁发射系统的重要基础

综上所述，电磁发射系统有着广阔的军民用前景。但相对而言，也对能源管理提出了新的要求。不管是要安装高效的电磁弹射器，还是要想把连一座三峡电站的功率都无法直接支持的电磁轨道炮上舰，都需要其背后的高效能源管理系统，特别是储能和功率变换系统的支持。具体到海军舰艇应用领域，实际上还需要全舰能源管理系统（也就是所谓“综合全电”）的支持。值得欣慰的是，在这新一轮海军装备革命之中，我国是走在世界最前沿的。让我们一起期待，属于中国人的“星辰大海”。（作者署名：浩汉防务论坛）