飞轮电池是一种应用前景广阔的新型绿色动力电池，随着新型复合材料、低损耗轴承、电机技术和电力电子技术的飞速发展，其应用涉及到航空航天、电动汽车、分布式发电、不间断电源等领域。本文对国内外有关飞轮电池的研究成果进行了深入细致的综合分析。在此基础上，从飞轮电池的构型设计、车载飞轮电池转子动力学建模与分析、电机/发电机建模与分析、充电过程控制、放电稳压及飞轮电池试验台的建立与测试等方面，进行了较为系统和深入的研究。 首先，进行了飞轮电池构型设计分析，广泛研究了各种飞轮电池结构，分析了飞轮电池应用于电动汽车的限制和需求，综合考虑能量密度、陀螺效应、转子的机械电磁特性，确定了电机转子与飞轮一体化的结构。针对车载飞轮电池安装基础运动的特点，本文利用子结构分析的方法，建立了飞轮电池的转子—安装基础动力学模型，并分析了飞轮电池转子在车辆姿态变化情况下的动力学特性。 研制了飞轮电池及其试验台，其主要包括储存动能的飞轮本体、支撑飞轮的轴承系统、具有电动/发电两种运行模式的飞轮电机、进行电能变换与传输的功率变换器及实验测试系统。论文给出了飞电池各部分的具体设计方案与实现方法，提出了采用一体化功率变换器完成电能转换与控制的方法。 在分析飞轮电池充/放电数学模型的基础上提出了电动和发电过程中飞轮电机计算机仿真模型。重点分析了电机电感、飞轮转速及负载对换相重叠角和飞轮电机发电电压的影响，并试验验证了理论分析与计算机仿真的正确性。 针对飞轮电池充电过程中力矩耦合、负载变化及电气参数波动等非线性不确定因素的影响以及系统特殊环境的应用要求，提出了一种协调函数切换的自适应模糊PID复合控制策略。所提出的自适应模糊控制器采用模糊控制保证系统的快速动态响应，设计的模糊控制规则和参数的在线自适应调整机制来满足系统在不同状态下的控制要求；采用遗传算法优化PID控制，抑制和克服模糊控制固有的精度盲区；提出连续的协调函数切换来解决单点切换所造成的频繁抖动。仿真和实验结果显示该方法具有较好的动态特性和稳态精度。 针对飞轮电池放电过程中转速变化和负载扰动的特点，本文将滑模变结构控制应用于飞轮电池的放电稳压系统。直接利用滑模变结构控制理论建立了适应于大信号、小信号分析的BUCK变换器数学模型、设计了滑模运动方程、推导了以李导数到达滑模面的条件并以此确定系统参数。仿真和试验结果表明，该控制方案具有很好的动态特性与鲁棒性，对于大范围的飞轮转速变化、负载扰动，系统均能快速、准确地达到期望输出。 最后对本文研究内容进行了总结，指出了飞轮电池可能的应用前景，以及应用于电动汽车尚需要解决的问题。