?二、其他儲能裝置

1.超級電容

超級電容屬于物理電池。物理電池在儲存能量、釋放能量時不發生化學變化。

(1)概述　超級電容也稱為電化學電容器、雙電層電容器,它依靠電解質與電極接觸界面上形成的特有雙電層結構儲存能量,是一種新型儲能裝置。

超級電容的特點是:可以在大電流下快速充/放電,提供很大的瞬時充/放電功率,循環壽命長,工作電壓和溫度范圍寬。

因為傳統的蓄電池(如鉛酸電池)功率密度偏低,不能滿足車輛頻繁起步、加速和制動工況的要求,而且加速時消耗了過多的能量,致使車輛的續駛里程不能滿足要求。加裝超級電容的車輛就可以有效地解決這一問題,既可以提供較大的驅動電流,滿足車輛在特殊行駛工況時的要求,又可以節省動力電池的能量,延長車輛的續駛里程,同時減少了動力電池的頻繁充/放電的工作狀態,提高了動力電池的使用壽命。

(2)使用方式　超級電容和DC/DC變換器系統搭配是常用的使用方式。超級電容和動力電池采用并聯的連接方式。當用動力電池與超級電容進行組合時,所選的動力電池必須能提供高比能量,因為超級電容本身比動力電池具有更高的比功率和更高效回收制動能量的能力。由于用在電動汽車上的超級電容相對而言電壓較低,所以需要在動力電池和超級電容之間加一個DC/DC功率轉換器。圖1?26所示為動力電池和超級電容復合的結構框圖。

超級電容在車輛正常行駛的時候,不參與工作;但當車輛進行加速或上坡時,超級電容通過DC/DC變換器的控制提供短期的大電流,并與動力電池共同供電,兩者再經過電動機控制器的調控,供給電動機驅動車輛。當超級電容的電壓低于動力電池的端電壓時,DC/DC變換器通過工作電路降壓,使得超級電容達到能量飽和狀態。在動力電池急需能量時,通過控制電路對超級電容能量進行升壓,輸出到動力電池正負端。

(3)特點

① 充電速度快。充電10s~10min可達到其額定容量的95%以上。

② 循環使用壽命長。深度充/放電循環使用次數可達1萬~50萬次。

③ 沒有記憶效應。

④ 大電流放電能力超強。

⑤ 能量轉換效率高,過程損失小,大電流能量循環效率≥90%。

⑥ 功率密度高,可達300~5000W/kg,相當于電池的5~10倍。能量密度可達20W·h/kg。

⑦ 環保。產品原材料構成、生產、使用、儲存以及拆解過程均沒有污染,是理想的綠色環保電源。

⑧ 充/放電線路簡單。無需充電電路,安全系數高,長期使用免維護。

⑨ 超低溫特性好。溫度范圍寬,為-40~70℃。

⑩ 檢測方便。剩余電量可直接讀出。

?容量范圍寬。通常為0.1~1000F。

(4)應用　日本是將超級電容器應用于混合動力汽車的先驅,超級電容器是近年來日本電動汽車動力系統開發中的重要領域之一。

2004年7月,我國首部“電容蓄能變頻驅動式無軌電車”在上海張江投入試運行,該公交車利用超級電容比功率大和公共交通定點停車的特點,當電車?？空緯r在30s內快速充電,充電后就可持續提供電能,速度可達44km/h。哈爾濱工業大學和巨容集團研制的超級電容器電動公交車,可容納50名乘客,最高速度20km/h。2010年上海世博會期間,在世博園內也運行了采用超級電容器驅動的電動客車。

在純電動汽車和混合動力汽車上采用超級電容與動力電池復合電源系統被認為是解決未來電動汽車動力問題的最佳途徑之一。隨著對電動汽車用超級電容的進一步研究和開發,超級電容?動力電池復合電源系統在滿足性能和成本要求上更具有實用性,其市場前景廣闊。

英國倫敦大學帝國理工學院正在研發一種聚合樹脂和碳化纖維的復合物,首先把納米結構的碳纖維材料制成薄片,然后成型、烘干、硬化,再把超級電容植入其間。可以通過疊加的方式,將其做成電池模塊,并做成車身面板的樣子,布置在車身框架之上。研究顯示,這種新型材料電池的充電速度比常規電池組更快,而且強度更好,適用性更強,可以取代車身面板,從而節省電池組所需空間。這種新型電池面板可以取代車門、行李箱蓋、發動機罩、車頂等。如果用這種新材料來代替傳統的鋼板車身,整個汽車的質量將會減少15%。這樣不僅可以減小電動汽車的質量,同時也能存儲更多質量。

2.飛輪電池

(1)概述　飛輪電池就是以機械飛輪來存儲能量的裝置。典型的飛輪電池結構如圖1?27所示,其基本工作原理如圖1?28所示,將外界輸送過來的電能通過電動機轉化為飛輪轉動的動能儲存起來,當外界需要電能的時候,又通過發電機將飛輪的動能轉化為電能,輸出到外部負載,而空閑運轉時的損耗非常小。為了減少空閑運轉時的損耗,提高飛輪的轉速和飛輪儲能裝置的效率,飛輪儲能裝置軸承的設計一般都使用非接觸式的磁懸浮軸承技術,而且將電動機和飛輪密封在一個真空容器內以減少風阻。

發電/電動通常使用一臺電動機來實現,通過軸承和飛輪連接在一起,這樣,實際常用的飛輪儲能裝置主要包括飛輪、軸、軸承、電動機、真空容器和電力電子裝置。

(2)特點

① 比能量高。飛輪電池比能量可達150W·h/kg,比鎳氫電池大2~3倍。

② 比功率高。飛輪電池比功率達10000W/kg,高于一般化學動力電池和內燃機。

③ 充電迅速。其快速充電可在18min完成且能量儲存時間長。

④ 壽命長。整個電池的使用壽命遠長于各種化學動力電池,使用壽命長達25年,可供電動汽車行駛500萬公里。

⑤ 環保。飛輪為純機械結構,不會像內燃機一樣產生排氣污染,同時也沒有化學動力電池的化學反應過程,不會引起腐蝕,也無廢料的處理回收問題。

(3)使用方式　飛輪電池通常與動力蓄電池組成混合能源系統。高速飛輪與具有兩種工作模式(電動機和發電機)的電動機轉子相結合,能夠將

電能和機械能進行雙向轉換。圖1?29顯示了這種高速飛輪和動力電池作混合動力的結構,所選用的動力電池應能提供高比能量。飛輪最好與無刷交流電動機結合使用,因為這種電動機的效率比直流電動機高,因而應在動力電池和飛輪之間加一個DC/AC轉換器。

(4)應用　就目前的技術來看,飛輪電池電動汽車還不能廣泛應用,由于飛輪儲能裝置本身的特點,它更加適用于復合動力汽車和混合動力汽車技術中。復合動力汽車是靠內燃機和電動機兩種方式共同提供推動力的,在汽車正常行駛和制動的時候給電池充電,汽車爬坡和加速,需要功率大的時候讓電池放電。

20世紀80年代初,瑞士Oerlikon Energy公司研制成功了完全由飛輪電池供電的電動公交客車,飛輪直徑163mm,可載乘客70人。1992年,美國飛輪系統公司(ASF)采用纖維復合材料制造飛輪,并開發了飛輪電池電動汽車,該車一次充電續駛里程達到600km。