飛輪電池與超級(jí)電容

.,新能源汽車技術(shù),.,復(fù)習(xí)：,1.鎳氫電池的主要特點(diǎn)和應(yīng)用；2.鋰離子電池的主要特點(diǎn)和應(yīng)用。,.,2.5飛輪電池與超級(jí)電容,教學(xué)目標(biāo)：1.掌握飛輪電池的主要特點(diǎn)和應(yīng)用；2.掌握超級(jí)電容的主要特點(diǎn)和應(yīng)用。,.,2.5.1飛輪電池,飛輪電池是20世紀(jì)90年代才提出的新概念電池。它突破了化學(xué)電池的局限，用物理方法實(shí)現(xiàn)蓄能。飛輪電池儲(chǔ)能是基于飛輪以一定角速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，可以存儲(chǔ)動(dòng)能的基本原理。飛輪電池正是以其動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能的。,.,1飛輪電池的結(jié)構(gòu)與原理,飛輪電池實(shí)際是一種機(jī)電能量轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存裝置，根據(jù)飛輪能夠儲(chǔ)存和釋放能量的特性研制的一種機(jī)械式蓄電池就是飛輪蓄電池。在飛輪的內(nèi)部鑲有永久性磁鐵，外殼上裝有感應(yīng)線圈，這樣飛輪就具有電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的雙重功能。,.,1飛輪電池的結(jié)構(gòu)與原理,對(duì)飛輪電池充電時(shí)，通過電力電子裝置從外部輸入電能而使電機(jī)旋轉(zhuǎn)，電機(jī)（此時(shí)作為電動(dòng)機(jī)）驅(qū)動(dòng)飛輪加速旋轉(zhuǎn)，飛輪儲(chǔ)存的動(dòng)能（機(jī)械能）就增大。飛輪電池向外放電時(shí)，由高速旋轉(zhuǎn)的飛輪帶動(dòng)電機(jī)（此時(shí)作為發(fā)電機(jī)）旋轉(zhuǎn)，將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，再通過電力電子變換裝置將電能轉(zhuǎn)換為負(fù)載所需的頻率和電壓。,.,1飛輪電池的結(jié)構(gòu)與原理,飛輪電池主要由飛輪、軸、軸承、電機(jī)、真空容器和電力電子變換器等組成，如圖所示。,.,1飛輪電池的結(jié)構(gòu)與原理,外設(shè)通過電力電子裝置給電機(jī)供電時(shí)，電機(jī)就作為電動(dòng)機(jī)使用，它的作用是給飛輪加速，儲(chǔ)存能量；當(dāng)負(fù)載需要電能時(shí)，飛輪給電機(jī)施加轉(zhuǎn)矩，電機(jī)又作為發(fā)電機(jī)使用，通過電力電子裝置給外設(shè)供電。,.,1飛輪電池的結(jié)構(gòu)與原理,整個(gè)飛輪儲(chǔ)能裝置中，飛輪無疑是其中的核心部件，它直接決定了整個(gè)裝置的儲(chǔ)能多少，它儲(chǔ)存的能量E由下式?jīng)Q定：,式中：J為飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，與飛輪的形狀和重量有關(guān)；max為飛輪允許的最高工作轉(zhuǎn)速,rad/s；min為飛輪允許的最低工作轉(zhuǎn)速,rad/s。,.,2飛輪電池的特點(diǎn),能量密度高。飛輪電池的能量密度可達(dá)100200Wh/kg，功率密度可達(dá)500010000W/kg能量轉(zhuǎn)換效率高、充電快。飛輪電池工作時(shí)的能量損失很小，其能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá)90%以上。由于飛輪電池?zé)o最大充電電流的限制，其充電速度取決于飛輪的角加速度，因而充電很快。體積小、質(zhì)量輕。飛輪采用了碳纖維材料，直徑一般也不大。與化學(xué)電池和燃料電池相比，飛輪電池的體積小、質(zhì)量輕。工作溫度范圍寬。飛輪電池對(duì)環(huán)境溫度沒有嚴(yán)格限制。使用壽命長(zhǎng)。飛輪電池?zé)o重復(fù)深度放電影響，其循環(huán)充放電次數(shù)可達(dá)數(shù)百萬次，預(yù)期壽命可達(dá)20年以上。,.,2飛輪電池的特點(diǎn),維護(hù)周期長(zhǎng)。飛輪電池的軸承采用磁懸浮形式，飛輪在真空環(huán)境下運(yùn)轉(zhuǎn)，其機(jī)械損耗微乎其微，因而其維護(hù)周期長(zhǎng)。飛輪電池特別適合用作電動(dòng)汽車的輔助蓄能裝置，在車輛起步、加速、爬坡等行駛工況時(shí)，協(xié)助蓄電池供電，可提高電動(dòng)汽車的動(dòng)力性，并延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。在車輛制動(dòng)時(shí)，飛輪電池可很好地回收制動(dòng)能量。用飛輪電池作蓄能裝置的電動(dòng)汽車也早被世界各國(guó)所關(guān)注。美國(guó)飛輪系統(tǒng)公司用其最新研制的飛輪電池將一輛克萊斯勒LHS轎車改成電動(dòng)轎車，一次充電可行駛600km，096km/h的加速時(shí)間僅為6.5s。,.,3.飛輪電池在電動(dòng)汽車上的應(yīng)用案例,20世紀(jì)80年代初，瑞士OerlikonEnergy公司研制成功了完全由飛輪電池供能的電動(dòng)公交客車，飛輪直徑1.63m，重1.5t，可載乘客70名，在行駛過程中，需要在每個(gè)車站(站間距約800m)停車充電2min。,.,3.飛輪電池在電動(dòng)汽車上的應(yīng)用案例,1987年，德國(guó)開發(fā)了飛輪電池混合動(dòng)力汽車，利用飛輪電池吸收90%的制動(dòng)能量，并在需要短時(shí)加速等工況下輸出電能補(bǔ)充內(nèi)燃機(jī)功率的不足。,.,3.飛輪電池在電動(dòng)汽車上的應(yīng)用案例,1992年，美國(guó)飛輪系統(tǒng)公司(AFS)采用纖維復(fù)合材料制造飛輪，并開發(fā)了飛輪電池電動(dòng)汽車，該車一次充電續(xù)駛里程達(dá)到600km。,.,3.飛輪電池在電動(dòng)汽車上的應(yīng)用案例,保時(shí)捷911GT3采用機(jī)電飛輪代替蓄電池為能源。該系統(tǒng)包括一臺(tái)連接有電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)的電動(dòng)飛輪。飛輪最高轉(zhuǎn)速高達(dá)40,000r/min。,.,沃爾沃在賽車上應(yīng)用的動(dòng)能回收系統(tǒng)（KineticEnergyRecoverySystems，簡(jiǎn)稱KERS）采用的就是機(jī)械飛輪儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)，儲(chǔ)存來自車身的動(dòng)能并儲(chǔ)存在由一塊重量6kg，直徑20cm的碳纖維組成飛輪模塊中，需要釋放時(shí)，其通過CVT變速模塊將能量傳遞至后橋直接驅(qū)動(dòng)車輪。根據(jù)官方測(cè)試的結(jié)果表明，使用了該技術(shù)的四缸渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)可以達(dá)到6缸渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的水平，同時(shí)相比六缸渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)減少25%的油耗。,.,2.5.1超級(jí)電容,超級(jí)電容器(Supercapacitor，Ultracapacitor),又叫黃金電容、法拉電容,通過極化電解質(zhì)來儲(chǔ)能，屬于雙層電容的一種。由于其儲(chǔ)能的過程并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此這種儲(chǔ)能過程是可逆的，正因?yàn)榇顺?jí)電容器可以反復(fù)充放電數(shù)十萬次。由于其容量很大，對(duì)外表現(xiàn)和電池相同，因此也稱作“電容電池”或說“黃金電池”。超級(jí)電容器是目前世界上已投入量產(chǎn)的雙電層電容器中容量最大的一種，其基本原理和其它種類的雙電層電容器一樣，都是利用活性炭多孔電極和電解質(zhì)組成的雙電層結(jié)構(gòu)獲得超大的容量。,.,1.傳統(tǒng)電容儲(chǔ)能方法,傳統(tǒng)物理電容中儲(chǔ)存的電能來源于電荷在兩塊極板上的分離,兩塊極板之間為真空(相對(duì)介電常數(shù)為1)或一層介電物質(zhì)(相對(duì)介電常數(shù)為)所隔離,電容值為：C=A/3.6d10-(F)其中A為極板面積,d為介質(zhì)厚度。所儲(chǔ)存的能量為：E=C(V)2/2其中C為電容值，V為極板間的電壓降。,.,2.超級(jí)電容器的概念,19,什么是超級(jí)電容器？,超級(jí)電容器（supercapacitor）是指相對(duì)傳統(tǒng)電容器而言具有更高容量的一種電容器。通過極化電解質(zhì)來儲(chǔ)存能量。,.,3.超級(jí)電容工作原理,目前主要的雙層結(jié)構(gòu)超級(jí)電容主要有碳電極雙電層電容器，金屬氧化物電極雙層電容器和有機(jī)聚合物電極雙層電容器，但是由于金屬氧化物（氧化釕）電極電容價(jià)格高昂，有二次污染等因素，目前主要用于軍事領(lǐng)域。有機(jī)聚合物技術(shù)尚未成熟，因此在電動(dòng)汽車上廣泛使用的主要是碳電極超級(jí)電容。,.,3.超級(jí)電容工作原理,碳電極超級(jí)電容器的面積是基于多孔碳材料，該材料的多孔結(jié)構(gòu)允許其面積達(dá)到2000m2/g，通過一些措施還可以實(shí)現(xiàn)更大的表面積。碳電極超級(jí)電容器電荷分離開的距離是由被吸引到帶電電極的電解質(zhì)離子尺寸決定的，該距離比傳統(tǒng)電容器薄膜材料所能實(shí)現(xiàn)的距離更小。這種龐大的表面積再加上非常小的電荷分離距離使得超級(jí)電容器較傳統(tǒng)電容器而言有巨大的靜電容量。,雙電層儲(chǔ)能,.,3.超級(jí)電容工作原理,超級(jí)電容器中，多孔化電極采用的是活性碳粉或活性碳或活性碳纖維，電解液采用有機(jī)電解質(zhì)，如丙烯碳酸脂或高氯酸四乙氨等。工作時(shí)，在可極化電極和電解質(zhì)溶液之間界面上形成的雙電層中聚集電容量，其多孔化電極在電解液中吸附電荷，因而可以存儲(chǔ)很大的靜電能量，超級(jí)電容器的這一儲(chǔ)電特性介于傳統(tǒng)的電容器與電池之間。盡管這能量密度比電池低，但是這能量的儲(chǔ)存方式，有快充快放的特點(diǎn)，可以應(yīng)用在傳統(tǒng)電池難以解決的短時(shí)高峰值電流應(yīng)用之中。,.,4.超級(jí)電容在車輛上的應(yīng)用,超級(jí)電容適合用做電動(dòng)汽車的輔助動(dòng)力,汽車頻繁的起步、爬坡和制動(dòng)造成其功率需求曲線的變化很大，在城市路況下更是如此。一輛高性能的電動(dòng)汽車的峰值功率與平均功率之比可達(dá)16：1，但是這些峰值功率的特點(diǎn)是持續(xù)時(shí)間一般都比較短，需要的能量并不高。對(duì)于純電動(dòng)、燃料電池和串聯(lián)混合動(dòng)力汽車而言，這就意味著要么汽車動(dòng)力性不足，要么電壓總線上要經(jīng)常承受大的尖峰電流，這無疑會(huì)大大損害電池、燃料電池或其它APU的壽命。,.,超級(jí)電容適合用做電動(dòng)汽車的輔助動(dòng)力,如果使用比功率較大的超級(jí)電容，當(dāng)瞬時(shí)功率需求較大時(shí)，由超級(jí)電容提供尖峰功率，并且在制動(dòng)回饋時(shí)吸收尖峰功率，那么就可以減輕對(duì)電池、燃料電池或其它APU的壓力。從而可以大大增加起步、加速時(shí)系統(tǒng)的功率輸出，而且可以高效地回收大功率的制動(dòng)能量。這樣做還可以提高電池的使用壽命，改善其放電性能。,雙電層超級(jí)電容器,.,超級(jí)電容適合用做電動(dòng)汽車的輔助動(dòng)力,其工作過程如下：,1）啟動(dòng)，加速，爬坡（箭頭代表放電方向）,.,超級(jí)電容適合用做電動(dòng)汽車的輔助動(dòng)力,其工作過程如下：,2）正常行駛（箭頭代表放電方向）,.,超級(jí)電容適合用做電動(dòng)汽車的輔助動(dòng)力,其工作過程如下：,3）減速制動(dòng)（箭頭代表放電方向）,.,目前超級(jí)電容作為新能源汽車輔助動(dòng)力的應(yīng)用情況,應(yīng)用一：本田FCX本田FCX燃料電池-超級(jí)電容混合動(dòng)力車是世界上最早實(shí)現(xiàn)商品化的燃料電池轎車。該車早在2002年就已經(jīng)在日本和美國(guó)加洲上市。第5代FCX采用了新型質(zhì)子交換膜形式的燃料電池模塊，用超級(jí)電容加燃料電池的電能供應(yīng)方式，這能夠讓FCX迅速達(dá)到一個(gè)較大的輸出功率，彌補(bǔ)了燃料電池車啟動(dòng)和加速性能差的缺點(diǎn)，并將啟動(dòng)時(shí)間縮短到10s。車載空調(diào)系統(tǒng)是由燃料電池組帶動(dòng)的，超級(jí)電容只提供車輛加速和爬坡時(shí)所需的峰值功率，同時(shí)回收車輛剎車時(shí)的回饋能量，超級(jí)電容電量不足時(shí)則由燃料電池帶動(dòng)電機(jī)利用輸出的多余電功率來補(bǔ)充。,.,目前超級(jí)電容作為新能源汽車輔助動(dòng)力的應(yīng)用情況,本田FCX及其超級(jí)電容安裝結(jié)構(gòu),.,目前超級(jí)電容作為新能源汽車輔助動(dòng)力的應(yīng)用情況,應(yīng)用二：日產(chǎn)混合動(dòng)力卡車在以內(nèi)燃機(jī)作主能源的混合動(dòng)力電動(dòng)車方面，日產(chǎn)汽車公司于2002年6月24日推出了安裝有柴油機(jī)、電動(dòng)機(jī)和電容器的并聯(lián)混合動(dòng)力卡車。由額定功率為152千瓦的CIDl發(fā)動(dòng)機(jī)和55千瓦的永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)，安裝有日產(chǎn)公司開發(fā)的新型電容器“超級(jí)電力電容器(ECaSS)”，具有63千瓦的比功率，功率能量比高達(dá)80。該車制動(dòng)能量的功效高于其它電池供電的混合動(dòng)力車。與日產(chǎn)柴油機(jī)汽車公司以往生產(chǎn)的柴油機(jī)汽車相比，該混合動(dòng)力卡車可減少燃料成本50，減少二氧化碳排放量33，減少氧化氮排放量50。,.,目前超級(jí)電容作為新能源汽車輔助動(dòng)力的應(yīng)用情況,應(yīng)用二：日產(chǎn)混合動(dòng)力卡車,.,目前超級(jí)電容作為新能源汽車輔助動(dòng)力的應(yīng)用情況,應(yīng)用三：Nissan混合動(dòng)力大客車NissanDiesel公司開發(fā)了一輛15t的“CNGC”串聯(lián)式混合動(dòng)力大客車，續(xù)駛里程比常規(guī)CNG大客車提高了2.4倍。超級(jí)電容總重200kg，CNG發(fā)動(dòng)機(jī)在最優(yōu)效率點(diǎn)帶動(dòng)一個(gè)75kW的發(fā)電機(jī)工作。,.,超級(jí)電容用做汽車部件的輔助能源,除了用于動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)外，超級(jí)電容在汽車零部件領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。例如，未來汽車設(shè)計(jì)使用的42V電系統(tǒng)（轉(zhuǎn)向、制動(dòng)、空調(diào)、高保真音響、電動(dòng)座椅等），如果使用長(zhǎng)壽命的超級(jí)電容，可以使得需求功率經(jīng)常變化的子系統(tǒng)性能大大提高，另外還可以減少車內(nèi)用于電制動(dòng)、電轉(zhuǎn)向等子系統(tǒng)的布線，同時(shí)減少汽車子系統(tǒng)對(duì)電池的功率消耗，延長(zhǎng)電池使用時(shí)間。,.,1,2,3,起停式,深度混合動(dòng)力大客車,純電動(dòng)公交車,有機(jī)對(duì)稱型超級(jí)電容器,有機(jī)對(duì)稱型超級(jí)電容器鋰離子電容器,鋰離子電容器,4.超級(jí)電容在車輛上的應(yīng)用,.,混合動(dòng)力大客車,混合動(dòng)力汽車的驅(qū)動(dòng)部分由超級(jí)電容電池系統(tǒng)和燃油系統(tǒng)組成。在起步、加速和低速行駛時(shí)由超容系統(tǒng)提供動(dòng)力。在怠速、制動(dòng)、滑行時(shí)可進(jìn)行能量回收。與傳統(tǒng)汽車相比節(jié)油率可達(dá)到30%左右，減少污染70。,4.超級(jí)電容在車輛上的應(yīng)用,.,純電動(dòng)公交車,圖示為奧威科技有限公司為上海世博會(huì)研制的無“辮子”的超級(jí)電容器純電動(dòng)汽車，每隔2-3英里就會(huì)在指定的充電站-兼具公交車站的功能-進(jìn)行充電，只需幾分鐘，位于公交車座位下的超級(jí)電容器就充電完成了。超級(jí)電容器公交車也可以從剎車系統(tǒng)中獲取能量，這類公交車使用的電力比無軌電車平均少40%，能耗僅為燃油車的1/3。,4.超級(jí)電容在車輛上的應(yīng)用,.,電動(dòng)汽車其它應(yīng)用,4.超級(jí)電容在車輛上的應(yīng)用,.,車輛低溫啟動(dòng),利用超級(jí)電容器的優(yōu)秀低溫特性，確保車輛在低溫條件下一次順利啟動(dòng)成功。,4.超級(jí)電容在車輛上的應(yīng)用,.,脫線運(yùn)行有軌電車,圖示為南車新能源和奧威科技開發(fā)的脫線運(yùn)行有軌電車，代表了現(xiàn)代有軌電車技術(shù)發(fā)展的方向。,軌道交通應(yīng)用：,4.超級(jí)電容在車輛上的應(yīng)用,.,軌道交通應(yīng)用方面：能量回收,軌道交通站間距短，列車啟動(dòng)、制動(dòng)頻繁，制動(dòng)能量相當(dāng)可觀。利用超級(jí)電容器優(yōu)秀的大功率充放電特性，回收制動(dòng)能量，能夠節(jié)省了約30的能量。,4.超級(jí)電容在車輛上的應(yīng)用,.,混合動(dòng)力起重機(jī)械/港口機(jī)械,超級(jí)電容混合動(dòng)力起重機(jī)械和港口機(jī)械，能夠大幅度降低能耗，減少空氣和噪音污染。,5.超級(jí)電容拓展應(yīng)用,.,混合動(dòng)力工程機(jī)械,超級(jí)電容混合動(dòng)力工程機(jī)械，同樣能夠大幅度降低能耗，減少空氣和噪音污染。,5.超級(jí)電容拓展應(yīng)用,.,純電動(dòng)叉車和高爾夫車,超級(jí)電容純電動(dòng)叉車和高爾夫車經(jīng)濟(jì)性好、使用便捷、工作壽命長(zhǎng)、大幅縮減充電設(shè)備建設(shè)。,5.超級(jí)電容拓展應(yīng)用,.,在可并微電網(wǎng)中的應(yīng)用,超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)作為主要儲(chǔ)能設(shè)備之一，配合鋰離子電池或鉛酸電池儲(chǔ)能系統(tǒng)接入電網(wǎng)380V側(cè)，利用超級(jí)電容器的快速響應(yīng)和功率特性用于微電網(wǎng)的平滑切換和削峰填谷等。,5.超級(jí)電容拓展應(yīng)用,.,利用超級(jí)電容器的高可靠性和長(zhǎng)壽命，將其作為風(fēng)電設(shè)備的變槳電源。,風(fēng)電變槳電源,風(fēng)電變槳電源,5.超級(jí)電容拓展應(yīng)用,.,UPS后備電池,功率型和能量型超級(jí)電容器分別可以用于1min和15min的后備電源上，滿足數(shù)據(jù)中心、電網(wǎng)等對(duì)UPS性能和成本的要求。UPS起作用往往是在掉電或電網(wǎng)電壓瞬時(shí)塌波的最初幾秒到幾分鐘內(nèi)起決定作用。,產(chǎn)品優(yōu)勢(shì),1.使用壽命長(zhǎng)，反復(fù)充電50萬次;2.工作溫度范圍寬-40+65;3.放電速度快，瞬間放電電流可達(dá)幾百至上千安培;4.在線并聯(lián)熱備，響應(yīng)時(shí)間10ms，電壓自適應(yīng)調(diào)節(jié)5.免維護(hù)，綠色環(huán)保；,5.超級(jí)電容拓展應(yīng)用,.,UPS直流屏,在電力系統(tǒng)中，直流電源屏為變配電設(shè)備提供直流電源，主要用在高壓開關(guān)的分合閘等方面，其性能直接影響整個(gè)供電系統(tǒng)的安全運(yùn)行。超級(jí)電容器利用自身優(yōu)勢(shì)，與蓄電池組組成復(fù)合電源，超容承擔(dān)沖擊負(fù)荷，蓄電池承擔(dān)經(jīng)常性負(fù)荷，從而延長(zhǎng)蓄電池使用壽命，降低故障，減少成本。,5超級(jí)電容拓展應(yīng)用,.,電信應(yīng)用,電信工業(yè)結(jié)合超級(jí)電容器電子電路開發(fā)的電能超高速緩沖存儲(chǔ)器(Powercache)儲(chǔ)能模式，提供幾秒鐘的備用電源，同時(shí)還橋接長(zhǎng)期電源。這種電信產(chǎn)品具有十分卓越的優(yōu)點(diǎn)不須維修地工作10年，能快速再充電和抗干擾能力強(qiáng)。,5.超級(jí)電容拓展應(yīng)用,.,節(jié)能電梯,超級(jí)電容節(jié)能電梯節(jié)能顯著、具備后備電源功能，成本可通過節(jié)約電費(fèi)回收，應(yīng)用空間極為廣闊。,電源控制器,智能控制器,超級(jí)電容組,電機(jī),外電源,雙向DC/DC,5超級(jí)電容拓展應(yīng)用,.,航空應(yīng)用,超級(jí)電容器被用作民航飛機(jī)艙門提供爆發(fā)動(dòng)力電源，使用壽命可達(dá)25年，140000飛行小時(shí)。在地面上，正常操作和緊急操作時(shí)，門必須被打開，在飛行時(shí)，門必須被關(guān)上并鎖緊，滑道必須在緊急情況被需要的時(shí)候膨脹。,5.超級(jí)電容拓展應(yīng)用,.,醫(yī)療設(shè)備脈沖電源,利用超級(jí)電容器高比功率特性，在醫(yī)療設(shè)備中用作脈沖電源，如激光醫(yī)療設(shè)備曝