二、其他储能装置
1.超级电容
超级电容属于物理电池。物理电池在储存能量、释放能量时不发生化学变化。
(1)概述 超级电容也称为电化学电容器、双电层电容器,它依靠电解质与电极接触界面上形成的特有双电层结构储存能量,是一种新型储能装置。
超级电容的特点是:可以在大电流下快速充/放电,提供很大的瞬时充/放电功率,循环寿命长,工作电压和温度范围宽。
因为传统的蓄电池(如铅酸电池)功率密度偏低,不能满足车辆频繁起步、加速和制动工况的要求,而且加速时消耗了过多的能量,致使车辆的续驶里程不能满足要求。加装超级电容的车辆就可以有效地解决这一问题,既可以提供较大的驱动电流,满足车辆在特殊行驶工况时的要求,又可以节省动力电池的能量,延长车辆的续驶里程,同时减少了动力电池的频繁充/放电的工作状态,提高了动力电池的使用寿命。
(2)使用方式 超级电容和DC/DC变换器系统搭配是常用的使用方式。超级电容和动力电池采用并联的连接方式。当用动力电池与超级电容进行组合时,所选的动力电池必须能提供高比能量,因为超级电容本身比动力电池具有更高的比功率和更高效回收制动能量的能力。由于用在电动汽车上的超级电容相对而言电压较低,所以需要在动力电池和超级电容之间加一个DC/DC功率转换器。图1⁃26所示为动力电池和超级电容复合的结构框图。
图1⁃26 动力电池+超级电容器作为能量源
超级电容在车辆正常行驶的时候,不参与工作;但当车辆进行加速或上坡时,超级电容通过DC/DC变换器的控制提供短期的大电流,并与动力电池共同供电,两者再经过电动机控制器的调控,供给电动机驱动车辆。当超级电容的电压低于动力电池的端电压时,DC/DC变换器通过工作电路降压,使得超级电容达到能量饱和状态。在动力电池急需能量时,通过控制电路对超级电容能量进行升压,输出到动力电池正负端。
(3)特点
① 充电速度快。充电10s~10min可达到其额定容量的95%以上。
② 循环使用寿命长。深度充/放电循环使用次数可达1万~50万次。
③ 没有记忆效应。
④ 大电流放电能力超强。
⑤ 能量转换效率高,过程损失小,大电流能量循环效率≥90%。
⑥ 功率密度高,可达300~5000W/kg,相当于电池的5~10倍。能量密度可达20W·h/kg。
⑦ 环保。产品原材料构成、生产、使用、储存以及拆解过程均没有污染,是理想的绿色环保电源。
⑧ 充/放电线路简单。无需充电电路,安全系数高,长期使用免维护。
⑨ 超低温特性好。温度范围宽,为-40~70℃。
⑩ 检测方便。剩余电量可直接读出。
容量范围宽。通常为0.1~1000F。
(4)应用 日本是将超级电容器应用于混合动力汽车的先驱,超级电容器是近年来日本电动汽车动力系统开发中的重要领域之一。
2004年7月,我国首部“电容蓄能变频驱动式无轨电车”在上海张江投入试运行,该公交车利用超级电容比功率大和公共交通定点停车的特点,当电车停靠站时在30s内快速充电,充电后就可持续提供电能,速度可达44km/h。哈尔滨工业大学和巨容集团研制的超级电容器电动公交车,可容纳50名乘客,最高速度20km/h。2010年上海世博会期间,在世博园内也运行了采用超级电容器驱动的电动客车。
在纯电动汽车和混合动力汽车上采用超级电容与动力电池复合电源系统被认为是解决未来电动汽车动力问题的最佳途径之一。随着对电动汽车用超级电容的进一步研究和开发,超级电容⁃动力电池复合电源系统在满足性能和成本要求上更具有实用性,其市场前景广阔。
英国伦敦大学帝国理工学院正在研发一种聚合树脂和碳化纤维的复合物,首先把纳米结构的碳纤维材料制成薄片,然后成型、烘干、硬化,再把超级电容植入其间。可以通过叠加的方式,将其做成电池模块,并做成车身面板的样子,布置在车身框架之上。研究显示,这种新型材料电池的充电速度比常规电池组更快,而且强度更好,适用性更强,可以取代车身面板,从而节省电池组所需空间。这种新型电池面板可以取代车门、行李箱盖、发动机罩、车顶等。如果用这种新材料来代替传统的钢板车身,整个汽车的质量将会减少15%。这样不仅可以减小电动汽车的质量,同时也能存储更多质量。
图1⁃27 飞轮电池结构
2.飞轮电池
(1)概述 飞轮电池就是以机械飞轮来存储能量的装置。典型的飞轮电池结构如图1⁃27所示,其基本工作原理如图1⁃28所示,将外界输送过来的电能通过电动机转化为飞轮转动的动能储存起来,当外界需要电能的时候,又通过发电机将飞轮的动能转化为电能,输出到外部负载,而空闲运转时的损耗非常小。为了减少空闲运转时的损耗,提高飞轮的转速和飞轮储能装置的效率,飞轮储能装置轴承的设计一般都使用非接触式的磁悬浮轴承技术,而且将电动机和飞轮密封在一个真空容器内以减少风阻。
图1⁃28 飞轮电池工作原理
发电/电动通常使用一台电动机来实现,通过轴承和飞轮连接在一起,这样,实际常用的飞轮储能装置主要包括飞轮、轴、轴承、电动机、真空容器和电力电子装置。
(2)特点
① 比能量高。飞轮电池比能量可达150W·h/kg,比镍氢电池大2~3倍。
② 比功率高。飞轮电池比功率达10000W/kg,高于一般化学动力电池和内燃机。
③ 充电迅速。其快速充电可在18min完成且能量储存时间长。
④ 寿命长。整个电池的使用寿命远长于各种化学动力电池,使用寿命长达25年,可供电动汽车行驶500万公里。
⑤ 环保。飞轮为纯机械结构,不会像内燃机一样产生排气污染,同时也没有化学动力电池的化学反应过程,不会引起腐蚀,也无废料的处理回收问题。
(3)使用方式 飞轮电池通常与动力蓄电池组成混合能源系统。高速飞轮与具有两种工作模式(电动机和发电机)的电动机转子相结合,能够将
图1⁃29 动力电池+高速飞轮作为能量源
电能和机械能进行双向转换。图1⁃29显示了这种高速飞轮和动力电池作混合动力的结构,所选用的动力电池应能提供高比能量。飞轮最好与无刷交流电动机结合使用,因为这种电动机的效率比直流电动机高,因而应在动力电池和飞轮之间加一个DC/AC转换器。
(4)应用 就目前的技术来看,飞轮电池电动汽车还不能广泛应用,由于飞轮储能装置本身的特点,它更加适用于复合动力汽车和混合动力汽车技术中。复合动力汽车是靠内燃机和电动机两种方式共同提供推动力的,在汽车正常行驶和制动的时候给电池充电,汽车爬坡和加速,需要功率大的时候让电池放电。
20世纪80年代初,瑞士Oerlikon Energy公司研制成功了完全由飞轮电池供电的电动公交客车,飞轮直径163mm,可载乘客70人。1992年,美国飞轮系统公司(ASF)采用纤维复合材料制造飞轮,并开发了飞轮电池电动汽车,该车一次充电续驶里程达到600km。