基于 PLC 控制的飞轮储能 UPS 系统，采用模块化设计，保障关键设备不间断供电
数据中心、医疗行业、精密制造等关键领域，毫秒级电力中断都将引发重大经济损失，甚至安全事故。
化学电池储能虽技术成熟，但循环寿命短、衰减快、环境污染大，高频短时断电场景下短板明显。
物理储能，响应速度快、循环寿命长、能量转换效率高，全生命周期零化学污染，满足双碳目标。
主电源供电 · 飞轮加速至设定转速 · 电能→动能
待机保持 · 转速监测 · 数据轮显 · 转速过低自动充能
主电源异常 · 飞轮放电 · 动能→电能 · 保障负载供电
系统的关键组件均经过严格选型与测试验证
主控制器
永磁直流电机
6061 铝合金
直流电机驱动器
监测系统
机械结构
RS485 + Modbus-RTU 构建高效可靠的设备互联网络
RS485 双绞线差分信号传输，位于 OSI 模型物理层。抗电磁干扰能力强，适合飞轮储能系统的高噪声环境。总线首末两端并联 120Ω 终端电阻消除回波。
Modbus-RTU 协议，主从架构。PLC 作为主站主动轮询，CRC 循环冗余校验确保数据完整性。相比 CANopen 报文复杂度更低，有效缩短开发周期。
波特率 9600bps · 8位数据位 · 无校验 · 1位停止位 · PLC轮询机制（转速200ms/温度1000ms/电表100ms）
| 从站地址 | 设备名称 | 型号 | 主要功能码 |
|---|---|---|---|
| 01H | 智能电能表 | DDSU666 | 03H / 06H |
| 02H | 状态切换继电器 | RS485 8路 | 06H / 10H |
| 03H | 飞轮电机驱动器 | HY-20A-2 | 06H |
| 04H | 温度传感器 | DS18B20 | 03H |
| 05H | 转速传感器 | 霍尔式 | 03H |
| 06H | 数码管显示屏 | LED-485-046 | 06H / 10H |
| 07H | 输出稳压电源 | SK120X | 03H / 06H |
梯形图 + ST语言混编，主程序调用子程序实现多模式控制
充能/输出互锁，减速/能耗制动互锁，三色灯颜色互锁
硬件集成 S曲线加减速算法，实现飞轮电机精确速度控制
外部中断触发，充能/储能模式减速制动，输出模式能耗制动
Easy-320 从站 + 汇川 HMI + 云端互联，构建完整工业自动化架构
| 对比维度 | 主站 · Easy-301 | 从站 · Easy-320 |
|---|---|---|
| 系统角色 | 实时控制核心 · 飞轮充能/输出逻辑 | 数据汇聚网关 · 对外通信枢纽 |
| 处理器 | ARM Cortex-A7 四核 · 200MHz | ARM Cortex-M4 · 168MHz |
| I/O 点数 | 24DI / 16DO / 4AI / 2AO | 16DI / 12DO / 4AI / 2AO |
| 核心任务 | 飞轮调速 · 充能/输出切换 · 安全互锁 · 传感器采集 | HMI驱动 · 云端上报 · 上位机通信 · 主从数据同步 |
| 通信接口 | RS485 × 2 · 以太网 × 1 · USB × 1 | RS485 × 2 · 以太网 × 2 · USB × 1 · CAN × 1 |
| 人机界面 | 数码管显示器 · 三色状态灯 · 遥控示教器 | 汇川 IT7000 系列 HMI · 7寸触摸屏 |
| 云端能力 | 无（专注本地实时控制） | MQTT / HTTP · 远程监控 · OTA固件升级 · 报警推送 |
| 主从互联 | RS485 Modbus-RTU · 主站模式（轮询从站） | RS485 Modbus-RTU · 从站模式（响应主站） |
从站控制器 · 通信网关
人机界面 · 工业触摸屏
实时转速表盘 + 温度柱状图 + 电压/电流数字显示 + 系统状态指示
转速/温度/电压历史趋势曲线 · 支持缩放与时间范围选择
5类故障弹窗报警 · 报警历史记录 · 报警触发条件可配置
目标转速 · 报警阈值 · PID参数 · 通信参数 触摸屏在线调整
Easy-320 通过以太网连接云平台，采用 MQTT 协议上报飞轮运行数据，支持 HTTP/HTTPS 接口供第三方系统集成。云平台提供远程监控仪表盘、历史数据回溯、报警推送与 OTA 固件升级功能。
Easy-320 通过以太网与上位机 SCADA 系统通信，使用 Modbus-TCP 协议提供实时数据点表。支持主流组态软件（组态王、WinCC、InTouch）直接连接，实现工厂级集中监控。
传感器组
转速 · 温度
电压 · 电流
采集层
主站 Easy-301
实时控制
安全互锁
控制层
从站 Easy-320
数据汇聚
通信枢纽
网关层
基于实验数据的系统性能验证，目标转速 8200rpm
加速时间 15.28s · 稳态 8233rpm · 超调仅 1%
起始温度 38.3°C · 稳态温升 ~2.96°C/min · 2min27s达44°C
初始 1100J · 空转 22.81s · 剩余 66.1J · 摩擦损耗 1034.2J
初始 1126.2J · 带载输出 20.72s · 剩余 66.7J
加速至 8233rpm
带载持续供电
稳态温升速率
电源无缝切换
框架顶部 + 遥控示教器
> 60°C 自动报警急停
> 额定转速 5% 即触发
5mm 聚碳酸酯防护板
过热 · 过压 · 低压 · 超速 · 通信异常
从F1赛道到城市道路 —— 飞轮储能在汽车领域的工程实践
KERS（Kinetic Energy Recovery System）在车辆制动时将动能转化为飞轮旋转能量储存，加速时释放能量提供额外动力。相比电池储能，飞轮KERS功率密度极高、充放电循环效率超90%、寿命长达20年以上，无化学衰减。
2025年最新研究表明，将飞轮KERS与高效氢内燃机集成，可节省35%-45%燃料消耗。飞轮快速响应的充放电特性完美弥补氢内燃机瞬态响应不足，两者结合正成为零碳动力系统的新方向。
Flybrid飞轮最高转速
FIA规定最大功率输出
单圈可释放能量
Flybrid系统总重
F1 首年引入KERS
Renault R29 搭载 Flybrid 机械飞轮 · McLaren MP4-24 采用电动KERS
WEC 耐力赛应用
Audi R18 e-tron Quattro 搭载 Williams 飞轮KERS · 勒芒冠军
KERS → ERS 升级
F1 引入 MGU-K + MGU-H 双电机能量回收，成为现代F1混合动力核心
飞轮KERS公交巴士
Flybus项目：飞轮制动回收驱动巴士，节省25%燃油
电动车快充基础设施
2024年英国高速公路测试：5分钟充电增加100英里续航，寿命>20年
Gyrodrive 飞轮混合动力
工程机械与公交巴士飞轮储能系统，循环效率>90%
往返效率 (电池~75%)
使用寿命 (电池~5-8年)
充放电响应
零化学降解
从地面UPS到航天器姿轨控储能一体化 —— 飞轮技术的星辰大海
| 对比维度 | 地面 UPS 飞轮 | 航天 IPACS 飞轮 |
|---|---|---|
| 核心功能 | 单一储能 · 断电应急供电 | 储能 + 姿控双重功能 |
| 转速范围 | 0 ~ 8,500 rpm | 10,000 ~ 60,000+ rpm |
| 轴承系统 | 机械滚珠轴承 | 磁悬浮轴承 / 超导轴承 |
| 运行环境 | 常压大气环境 | 真空舱室 (≤10⁻⁴ Pa) |
| 控制策略 | PLC + Modbus-RTU · PID调速 | Flywheel-Net 神经网络 + 自适应PID |
| 关键挑战 | 成本控制 · 快速切换响应 | 姿控耦合扰动 · 真空密封 · 在轨参数漂移 |
| 使用寿命 | >10,000 次循环 | >15 年在轨寿命 |
IPACS（Integrated Power and Attitude Control System）利用高速旋转的飞轮同时作为储能单元和姿控执行器。飞轮加速时储存电能，减速时释放电能；与此同时，转速变化产生的反作用力矩可直接用于航天器姿态调节，实现"一机两用"。
针对传统PID在高速域（>8500rpm）无法应对非线性扰动的问题，提出基于编码器-解码器架构的Flywheel-Net模型。输入飞轮单元的角速度、温度、瞬时功率等状态参数，输出预测控制量，实现参数漂移自适应补偿。
传感器采集
角速度 · 温度
瞬时功率 · 时间
4维输入向量
编码器
卷积层×3
批归一化 · GELU
特征提取
瓶颈层
跳跃连接
空间分辨率恢复
特征融合
解码器
上采样 · 拼接
卷积还原
参数重建
自适应PID
Kp · Ki · Kd
增量式PID输出
控制指令
飞轮执行
PWM驱动
转速调节
闭环反馈
L = α · Lbus + β · Latt
双目标联合优化：同时保证供电质量与姿态精度
u(k) = uNN + ΔuPID
神经网络前馈 + PID反馈：结合模型预测能力与经典控制鲁棒性
高速域非线性扰动失控
无法应对长期参数漂移
储能与姿控解耦控制复杂
神经网络实时预测补偿量
自适应应对轴承磨损、真空衰减
统一模型同时处理储能+姿控
云端：Flywheel-Net训练 + 模型压缩
边缘：模型推理 + 参数更新
端侧：星载FPGA实时执行控制指令
致敬飞轮储能技术发展的探路者与开拓者
项目创始人
系统架构设计 · PLC控制程序 · 机械建模 · 论文专利
硬件研发
软硬件综合联调 · 竞赛协作 · 系统测试
软件开发
可视化示教器软件 · 联合专利 · 系统测试
实验测试
联合专利 · 样机测试 · 实验数据采集分析
天印制造 · 飞轮储能UPS系统研发团队
指导老师 / 讲师
飞轮储能技术路线规划 · 项目方向指导
指导老师
项目研发指导 · 技术支持
核心技术
系统研发 · 控制算法
核心技术
硬件设计 · 系统集成
核心技术
软件工程 · 测试验证