2.3　其他能量源

2.3.1　超級電容

隨著科技的進步，近年來出現了一種新的元器件——超級電容。這種新型的電子器件與一般蓄電池相比，功率密度高10倍以上，充放電速率高100倍以上。

2.3.1.1　超級電容及應用概況

超級電容（uhracapacitor）是一種介于電解質電容器和電化學蓄電池之間的新型儲能裝置，其儲能方式與傳統電容器不同。傳統電容器由電極和電解質構成，電極間的電解質在電場作用下產生極化效應而儲存能量，而超級電容則不存在介質，是依靠電解質與電極接觸界面上形成的特有雙層結構儲存能量。如圖2-7所示，超級電容器可以被視為懸浮在電解質中的兩個無反應活性的多孔電極板，在極板上加電，正極板吸引電解質中的負離子，負極板吸引電解質的正離子，實際上形成兩個容性存儲層，被分離開的正離子在負極板附近，負離子在正極板附近。

作為一種新型儲能元件，電化學電容器的電容量可高達法拉級甚至上萬法拉，能夠實現快速充放電和大電流放電，比蓄電池具有更高的功率密度（可達1000W/kg數量級）和更長的循環使用壽命（充放電次數可達10萬次），同時可在極低溫等極端惡劣的環境中使用，并且無環境污染。

在近期內，超級電容極低的比能量使得它不可能單獨用作電動汽車能量源，但使用超級電容作輔助能量源具有顯著優點。在電動汽車上使用的最佳組合為電池-超級電容混合能量系統，從而使得電動汽車對電池的比能量和比功率要求分離開來。電池設計可以集中于對比能量和循環壽命要求的考慮，而不必過多地考慮比功率問題。由于超級電容的負載均衡作用，電池的放電電流得到減少，從而使電池的可利用能量、使用壽命得到顯著提高。而且與電池相比，超級電容可以迅速高效地吸收電動汽車制動產生的再生動能。　

由于超級電容的載荷均衡和能量回收作用，車輛的續駛里程得到極大的提高。但該系統應對電池、超級電容、電動機和功率變換器等作綜合控制和優化匹配，功率變換器及其控制器的設計應充分考慮到電動機和超級電容之間的匹配。

近年來，超級電容在混合動力系統、低溫啟動系統及車輛24V電源系統中都得到了應用。美國的Maxwell、韓國的Ness、俄羅斯ESMA以及一些日本公司都已經實現了超級電容的批量化生產，我國的上海奧威、哈爾濱巨容等公司也進行了超級電容的研發并進行了小批量生產和裝車試驗。但在超級電容器廣泛應用于電動汽車之前，提高其性能尤其是比能量，以及降低成本，成為迫切需要解決的問題。

2.3.1.2　超級電容器與蓄電池性能比較

（1）蓄電池的不足　電動汽車動力源蓄電池在加速或爬坡時要進行大電流放電；減速或下坡時要快速充電實現制動能量回收，要求蓄電池具有優良的倍率、快速充放電特性和使用壽命長且性能穩定。而對蓄電池實行大電流充放電將使其壽命大大縮短。同時由于電動汽車放置蓄電池的空間有限，布置非常緊湊，熱量易積累，使得蓄電池暴露在高溫環境中造成高溫失效。

盡管針對電動汽車所使用的鉛酸蓄電池做了許多改進，但是其在高溫時性能惡化快、壽命短、充放電效率低已經成為電動汽車發展的難題之一。

（2）超級電容器的優勢　超級電容器也稱電化學電容器，因其存儲能量大，質量輕，可多次充放電而成為一種新型的儲能裝置。超級電容器有以下優勢。

①電容量大。超級電容器采用活性炭粉與活性碳纖維作為可極化電極，與電解液接觸的面積大大增加。根據電容量的計算公式，兩極板的表面積越大，則電容量越大。因此，一般雙電層電容器的容量很容易超過1F，它的出現使普通電容器的容量范圍驟然躍升了3～4個數量級。

②充放電壽命很長。超級電容器充放電壽命可達500000次或90000h，而蓄電池的充放電壽命很難超過1000次；超級電容器可以提供很高的放電電流，一般蓄電池通常不能有如此高的放電電流，一些高放電電流的蓄電池在如此高的放電電流下的使用壽命將大大縮短。

③快速充放電。可以從數十秒到數分鐘內快速充電，而蓄電池在如此短的時間內充滿電將是極危險的或是幾乎不可能的。

④很寬的工作溫度范圍。蓄電池很難在高低溫，特別是低溫環境下工作；超級電容器用的材料是安全和無毒的，而鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池均具有毒性。

⑤超級電容器可以任意并聯使用來增加電容量，如采取均壓措施后，還可以串聯使用。

盡管有在能量存儲上的優勢，但超級電容器還是不能和電化學蓄電池相比，即使是鉛酸蓄電池也能比超級電容器多存儲10倍以上的能量。

2.3.1.3　超級電容主要參數及充放電時間常數

（1）超級電容主要參數

①工作電壓　電容器能夠連續、長期地保持最大電壓。

②電流　對電容器進行充電后，為使電容器在某一電壓處于穩定狀態而從外部施加的一個電流。

③時間常數　如果一個超大容量電容器能夠模擬為一個電容和一個電阻的簡單串聯組合，則該電容和電阻的乘積便為時間常數，其單位為s，相當于將電容器恒壓充電至滿充容量的63.2%時所需的時間。

④等效串聯電阻　當一個電容器被模擬為包括電感、電容、電阻的等效模擬電路時，其中的電阻部分即為等效串聯電阻。等效串聯電阻可以利用交流阻抗技術或電流階躍技術測試得到。

⑤放電容量　電容器在放電過程中可以放出的全部容量，具體計算方法是將放電過程中一個瞬間的電壓與電流的乘積對放電時間進行積分。

⑥理想存儲能量（電容器存儲能量的理想值）　對于一個簡單的電化學電容器，其理想存儲能量值可以通過來計算，式中，C為電容器的容量；Uw為電容器的工作電壓。

⑦平均放電功率　平均放電電流和平均放電電壓的乘積即為平均放電功率。

⑧最大輸出功率　指當為電容器外接一個合適的負載時，其可以達到的最大輸出功率，計算公式為P=U 2/（4R），式中，U為電容器的初始電壓；R為電容器的等效串聯電阻。

⑨放電效率　在一個特定的充放電循環中，電容器放出的能量占充入的能量的百分比。

（2）超級電容充放電時間常數的確定　超級電容作為一種高功率動力源，可大電流充放電，并且使用壽命比電池長得多，這使得其充放電效率對性能的發揮有著極其重要的影響。超級電容器組的時間常數是決定超級電容器組充放電效率的重要因素。超級電容器組的充放電時間主要取決于超級電容器組的充放電效率。

假設電容組以恒定的電流充放電，經過時間t后，電容器組電量從Q1到Q2，相應的電壓由U1到U2，則電容器組存儲釋放的能量E為：

此時超級電容器組內阻R消耗的能量ER為：

定義時間常數τ=RCC，β=U1/U2（充電）或β=U2/U1（放電），得到充電效率ηC和放電效率ηD為：

可知，對于相同的τ，超級電容器組效率隨充放電深度增大而減小，隨充放電時間t增大而增大。對于相同的β，ηC永遠大于ηD；同時τ越小，相同放電時間效率也越高，并且基本上接近，但隨著τ的增大，偏差迅速增大。所以在選用超級電容器時，要綜合考慮充放電深度和時間的匹配關系，根據電容器的成本隨時間常數的增大而增大的原則，在不影響使用的前提下，盡量選用時間常數小的電容器。此時電容器的充放電時間可以設計相等。

2.3.2　飛輪電池

2.3.2.1　概述

飛輪電池是一種新型的機械儲能裝置，它利用高速旋轉的飛輪將能量以動能的形式存儲起來。與蓄電池相比較，飛輪電池具有更高的比能量和比功率，充電時間短，使用壽命長，無過度充放電問題。因此，可將飛輪電池應用于電動汽車中，使飛輪電池和蓄電池共同提供或吸收汽車運行中的峰值功率。

使用飛輪以機械能的形式存儲能量并不是一個新的設計理念。早在20世紀50年代，瑞士Oerlikon工程公司就設計出了首輛使用飛輪作動力的客車，該飛輪重1500kg、工作轉速3000r/min，在汽車停靠站對飛輪進行充電。普通的飛輪采用厚重的鋼材質轉子，總重有上百千克而工作轉速僅有上百轉；相反，先進的飛輪設計使用輕質復合材料轉子，質量僅有幾十千克而轉速可達上萬轉，因此被稱為飛輪電池。

飛輪儲能系統包括三個核心部分：飛輪、電動機/發電機和電力電子變換裝置，其工作原理如圖2-8所示。

從原理圖可看出，電力電子變換器從外部輸入電能驅動電動機旋轉，電動機帶動飛輪旋轉，飛輪儲存動能（機械能）。當外部負載需要能量時，用飛輪帶動發電機旋轉，將動能轉化為電能，再通過電力電子變換器變成負載所需要的各種頻率、電壓等級的電能，以滿足不同的需求。由于輸入、輸出是彼此獨立的，設計時常將電動機和發電機用一臺電機來實現，輸入輸出變換器也合并成一個，這樣就可以大大減少系統的大小和重量。由于在實際工作中，飛輪的轉速可達40000～50000r/min，一般金屬制成的飛輪無法承受這樣高的轉速，所以飛輪一般都采用碳纖維制成，以減少整個系統的重量。為了減少充放電過程中的能量損耗（主要是摩擦力損耗），電機和飛輪都使用磁懸浮軸承以減少機械摩擦，同時將飛輪和電機放置在真空容器中，以減少空氣摩擦，這樣飛輪電池的輸入、輸出效率可達95%左右。

實際使用的飛輪裝置中，主要包括以下部件：飛輪、軸、軸承、電機、真空容器和電力電子變換器，其結構原理如圖2-9所示。從結構圖可以看出，飛輪是整個裝置的核心部件，它直接決定了整個裝置的儲能多少。電力電子變換器通常是由MOSFET和IGBT組成的雙向變換器，它們的原理不再敘述，它們決定了飛輪裝置能量輸入、輸出量的大小。

飛輪電池是實現電動汽車儲能要求的一種有效方式，它具有高比能量、高比功率、長循環壽命、高能量效率、能快速充電和免維護等優點，成為遠期儲能裝置的一種選擇。使用飛輪電池作輔助能量源的混合動力電動汽車具有和使用超級電容器作輔助能量源的混合動力電動汽車相同的優點。首先，減弱了對電池比能量和比功率之間的要求，有利于優化電池的比能量密度和循環壽命設計；其次，由于飛輪的負載均衡作用，降低了電池的輸出功率以及放電電流，電池的可利用能量、使用壽命得到了提高；最后，在車輛低功率行駛以及再生制動時，飛輪可以高效率地實現補充充電。由于負載均衡裝置和主能源之間的協調工作和再生制動時的能量回收，車輛的續駛里程明顯提高。

飛輪電池還可以像蓄電池和燃料電池一樣，作為獨立的能源系統向電動汽車供電，并有可能成為電動汽車應用的遠期目標。飛輪有望具有比其他任何電池都高的比能量和比功率，甚至有可能超過內燃機，另外，飛輪的使用壽命不受限制（至少高于車輛壽命），解決了其他能量源存在的使用壽命有限的問題。

2.3.2.2　應用

對飛輪電池進行快速、穩定的充放電控制，可減小蓄電池在電動汽車制動和加速時的充放電電流，從而實現對蓄電池的保護。

（1）系統結構　如圖2-10所示為蓄電池和飛輪電池在電動汽車中的復合電源系統結構。該系統主要由汽車驅動電機模塊、蓄電池模塊和飛輪電池模塊三部分組成。其中E為蓄電池的電動勢；R為蓄電池的內阻；PWM1為電動汽車交流電機的變流器。飛輪電池并聯在系統的直流母線上，主要由高速飛輪、永磁同步電機和PWM2變流器構成。

飛輪電池在系統中起著提供電能和制動能量回收的雙重作用。電動汽車加速、爬坡時，為滿足電動汽車的瞬時大功率要求，飛輪電池快速放電，它和蓄電池一同為電動汽車提供能量；電動汽車減速、下坡時，汽車的驅動電機工作在發電狀態，飛輪電池則工作在充電狀態，它和蓄電池一起吸收汽車制動時回饋的能量；電動汽車正常行駛時，其驅動電機所需功率較小，此時飛輪電池工作在能量保持模式，僅由蓄電池供電即可滿足要求。

（2）飛輪電池電機的數學模型　永磁同步電機是一個非線性、強耦合的多變量系統，通過坐標變換，可以建立其在d-q兩相旋轉坐標系下的數學模型，進而實現變量之間的部分解耦。

在電動機模式下，永磁同步電機d-q坐標系下的電壓方程為：

定子磁鏈方程為：

轉矩方程為：

Te=pn[ψriq+（Ld-Lq）idiq]

運動方程為：

式中　ud，uq——電機定子d、q軸的電壓分量；

id，iq——電機定子d、q軸的電流分量；

Ld，Lq——電機定子d、q軸等效電感；

Rs——電機定子電阻；

ψr——轉子在定子上的耦合磁鏈；

ψd，ψq——d、q軸等效磁鏈分量；

ωr——轉子的電角速度；

Te——電磁轉矩；

pn——電機的極對數；

P——微分算子；

J——轉動慣量；

fm——摩擦系數。

根據d-q坐標系下的電壓方程，得出永磁同步電機在d、q坐標軸下的等效電路，如圖2-11所示。

（3）飛輪電池充電控制　電動汽車下坡或制動時，它的驅動電機工作在發電狀態，向系統直流母線回饋大量電能，飛輪電池和蓄電池共同回收汽車的制動能量。飛輪電池工作在充電模式，飛輪的轉速升高，電能轉化為飛輪的機械能。若飛輪的轉速由ω1上升到ω2，則飛輪電池吸收的能量如下。

可見，飛輪電池充電的控制也就是對飛輪轉速的控制，即對永磁電機的轉速控制。

轉速控制的關鍵在于能否精確地控制電機電磁轉矩的輸出。為了滿足飛輪電池的快速充電要求，采用基于轉子磁場定向的矢量控制，其控制框圖如圖2-12所示。

在矢量控制中，控制電機的定子電流id與q軸重合，即id=0，此時電磁轉矩Te僅由iq決定，定子電流全部用來產生電磁轉矩，能夠保證較大的輸出轉矩。此時，永磁同步電機就相當于一臺他勵直流電動機。采用id=0的矢量控制時，定子電流的電樞反應中沒有d軸去磁分量，永磁電機不會產生退磁現象。

（4）飛輪電池放電控制　電動汽車啟動或加速時，需要電源系統輸出很大的功率，飛輪電池和蓄電池工作在放電狀態。蓄電池的放電電流為：

式中　E——蓄電池的電動勢；

R——蓄電池的內阻；

Udc——系統直流側電壓。

可見，控制系統的直流側電壓即可限制蓄電池的放電電流。

飛輪電池放電時，對其電機發出的交流電進行PWM整流控制，采取直流側電壓外環、電流內環的雙閉環控制策略。如圖2-13所示為放電控制框圖。在飛輪電池電機輸出電壓下降或直流側電壓擾動時，電壓外環保證了輸出電壓的穩定。電流內環確保系統有快速的動態響應。

電壓調節器和電流調節器都采用帶限幅的PI調節器，電壓調節器的輸出限幅決定了飛輪電池的最大輸出電流，從而限制了飛輪電池的最大輸出功率。