第六章 電動(dòng)汽車的車載能量源系統(tǒng)

1、 第 六 章 電動(dòng)汽車的車載能量源系統(tǒng)現(xiàn)代電動(dòng)汽車技術(shù)主要內(nèi)容n動(dòng)力電池的種類及原理 n鉛酸蓄電池n電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的性能n蓄電池的工作特性n其它常用蓄電池n超級(jí)電容n超高速飛輪電動(dòng)汽車電動(dòng)汽車能能量源量源動(dòng)力電池動(dòng)力電池燃料電池燃料電池超級(jí)電容超級(jí)電容超高速飛超高速飛輪輪主要任務(wù)是提主要任務(wù)是提供驅(qū)動(dòng)電能供驅(qū)動(dòng)電能能量生成裝置能量生成裝置1.1 動(dòng)力電池分類動(dòng)力電池分類根據(jù)容量的大小和輸出功率的能力，動(dòng)力根據(jù)容量的大小和輸出功率的能力，動(dòng)力電池可以分為電池可以分為能量型、功率型、能量能量型、功率型、能量/功率兼功率兼顧型顧型動(dòng)力電池。動(dòng)力電池。 具有比較大的容量，能夠提供比較具有比較大的容量

2、，能夠提供比較持久的能源供給。持久的能源供給。 通常用于純電動(dòng)汽車、中度和重度通常用于純電動(dòng)汽車、中度和重度混合動(dòng)力汽車?；旌蟿?dòng)力汽車。 這種電池總能量在整車能源配置中這種電池總能量在整車能源配置中占有較大的比列，常常超過(guò)占有較大的比列，常常超過(guò)10kW.h。 容量通常比較小，可以提供瞬間大容量通常比較小，可以提供瞬間大功率供電。功率供電。 主要用于電動(dòng)工具、輕度混合動(dòng)力主要用于電動(dòng)工具、輕度混合動(dòng)力電動(dòng)汽車。電動(dòng)汽車。 在電動(dòng)汽車中主要用于吸收制動(dòng)回在電動(dòng)汽車中主要用于吸收制動(dòng)回饋的能量，同時(shí)為車輛起動(dòng)、加速工況饋的能量，同時(shí)為車輛起動(dòng)、加速工況提供瞬間的額外能量。提供瞬間的額外能量。 能量

3、密度高，同時(shí)在能量密度高，同時(shí)在SOC低時(shí)提供低時(shí)提供大功率的能力，在大功率的能力，在SOC高時(shí)能接受大功高時(shí)能接受大功率，即要求電池具有高能量、大功率兼率，即要求電池具有高能量、大功率兼顧的特性。顧的特性。 主要用于插電式混合動(dòng)力汽車。主要用于插電式混合動(dòng)力汽車。2、不同電動(dòng)汽車電池的工作要求、不同電動(dòng)汽車電池的工作要求1）電池要有足夠的能量和容量。）電池要有足夠的能量和容量。 2）電池要能夠?qū)崿F(xiàn)深度放電而不影響其壽命，）電池要能夠?qū)崿F(xiàn)深度放電而不影響其壽命，在必要時(shí)能實(shí)現(xiàn)滿負(fù)荷甚至全負(fù)荷放電。在必要時(shí)能實(shí)現(xiàn)滿負(fù)荷甚至全負(fù)荷放電。3）需要安裝電池管理系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)，以顯）需要安裝電池管理系

4、統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)，以顯示電池組的剩余電量和實(shí)現(xiàn)溫度控制。示電池組的剩余電量和實(shí)現(xiàn)溫度控制。4）由于動(dòng)力電池組體積和質(zhì)量大，電池箱的設(shè)）由于動(dòng)力電池組體積和質(zhì)量大，電池箱的設(shè)計(jì)、電池的空間布置和安裝問(wèn)題都需要認(rèn)真研究。計(jì)、電池的空間布置和安裝問(wèn)題都需要認(rèn)真研究。1）電池的峰值功率要大，能短時(shí)大功率）電池的峰值功率要大，能短時(shí)大功率充放電。充放電。2）循環(huán)壽命要長(zhǎng)，達(dá)到）循環(huán)壽命要長(zhǎng)，達(dá)到1000次以上的深次以上的深度放電循環(huán)和度放電循環(huán)和40萬(wàn)次以上的淺度放電循萬(wàn)次以上的淺度放電循環(huán)。環(huán)。3）電池的）電池的SOC應(yīng)盡可能保持在應(yīng)盡可能保持在50%85%的范圍內(nèi)。的范圍內(nèi)。4）需要配備電池管理系統(tǒng)和

5、熱管理系統(tǒng)。）需要配備電池管理系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)。2.1分類：分類：牽引電池（動(dòng)力電池）和起動(dòng)電池。牽引電池（動(dòng)力電池）和起動(dòng)電池。密封電池、開(kāi)口電池、膠體電池。密封電池、開(kāi)口電池、膠體電池。 膠體電池屬于鉛酸蓄電池的一種發(fā)展分類，最簡(jiǎn)單膠體電池屬于鉛酸蓄電池的一種發(fā)展分類，最簡(jiǎn)單的的做法做法，是在硫酸中添加膠凝劑，使硫酸電液變?yōu)槟z態(tài)。，是在硫酸中添加膠凝劑，使硫酸電液變?yōu)槟z態(tài)。電液呈膠態(tài)的電池通常稱之為膠體電池。電液呈膠態(tài)的電池通常稱之為膠體電池。1、比功率要比常規(guī)鉛酸電池大、比功率要比常規(guī)鉛酸電池大 20% 以上；以上；特點(diǎn)：特點(diǎn)：不足：技術(shù)不夠成熟、成本較高。不足：技術(shù)不夠成熟、成本較高。

6、2、壽命一般也比常規(guī)鉛酸電池長(zhǎng)一倍左右；、壽命一般也比常規(guī)鉛酸電池長(zhǎng)一倍左右；3、高溫及低溫特性要好得多。、高溫及低溫特性要好得多。2.2 鉛蓄電池的結(jié)構(gòu)鉛蓄電池的結(jié)構(gòu)電池式：電池式：（）負(fù)極材料（）負(fù)極材料|電解質(zhì)電解質(zhì)|正極材料（）正極材料（）如：如：2.3 鉛蓄電池的工作原理鉛蓄電池的工作原理（1） 鉛酸蓄電池放電反應(yīng)：鉛酸蓄電池放電反應(yīng)：放電反應(yīng)：放電反應(yīng)：充電反應(yīng)：充電反應(yīng)：蓄電池的放電過(guò)程蓄電池的放電過(guò)程（2）鉛酸蓄電池充電反應(yīng)：）鉛酸蓄電池充電反應(yīng)：蓄電池的充電過(guò)程蓄電池的充電過(guò)程2.4 鉛蓄電池的特點(diǎn)鉛蓄電池的特點(diǎn)1）單體電壓高，為2.0V。2）價(jià)格低廉。3）可制成小至1A.h

7、大至幾千安時(shí)的各種尺寸和結(jié)構(gòu)的蓄電池。4）高倍率放電性能好，可用于車輛起動(dòng)。5）高低溫性能良好，可在-40C60C條件下工作。6）電能效率高達(dá)60%。7）易于浮充使用，沒(méi)有“記憶”效應(yīng)。8）易于確定荷電狀態(tài)。1）比能量低，在電動(dòng)汽車中所占的質(zhì)量和體積較大，一次充電行駛里程短。2）使用壽命短，使用成本高。3）充電時(shí)間長(zhǎng)。4）鉛是重金屬，存在污染。電池的容量是指充滿電的電池在指定條件下放電到終電池的容量是指充滿電的電池在指定條件下放電到終止電壓時(shí)輸出的電量，單位：止電壓時(shí)輸出的電量，單位：A.h。 電池的放電率、放電形式、終止電壓和溫度稱為電池的放電率、放電形式、終止電壓和溫度稱為電池的放電制度。

8、放電制度根據(jù)電池的使用情況而定。電池的放電制度。放電制度根據(jù)電池的使用情況而定。電池容量可分為：理論容量、電池容量可分為：理論容量、i小時(shí)率放電容量、額小時(shí)率放電容量、額定容量、實(shí)際容量和剩余容量。定容量、實(shí)際容量和剩余容量。3.1 動(dòng)力電池的性能參數(shù)動(dòng)力電池的性能參數(shù)是假定電池中的活性物質(zhì)全部參加是假定電池中的活性物質(zhì)全部參加成流反應(yīng)，根據(jù)成流反應(yīng)，根據(jù)法拉第定律法拉第定律計(jì)算所能給出的計(jì)算所能給出的電量。電量。理論容量理論容量是電池容量的最大極限值。是電池容量的最大極限值。實(shí)際上，電池放出的容量只是理論容量的一實(shí)際上，電池放出的容量只是理論容量的一部分。部分。是在恒流放電條件下，正是在恒流

9、放電條件下，正好用好用i小時(shí)把充滿電的電池放電到終止電壓小時(shí)把充滿電的電池放電到終止電壓時(shí)能夠放出的電量，通常用時(shí)能夠放出的電量，通常用Ci表示。起動(dòng)電表示。起動(dòng)電池用池用C20表示，牽引電池用表示，牽引電池用C5表示，電動(dòng)汽表示，電動(dòng)汽車用電池用車用電池用C3表示。表示。是指在規(guī)定條件下電池應(yīng)放出的是指在規(guī)定條件下電池應(yīng)放出的電量。額定容量是制造廠標(biāo)明的安時(shí)容量，電量。額定容量是制造廠標(biāo)明的安時(shí)容量，作為驗(yàn)收電池質(zhì)量的重要技術(shù)指標(biāo)。作為驗(yàn)收電池質(zhì)量的重要技術(shù)指標(biāo)。是指充滿電的電池在一定條件下是指充滿電的電池在一定條件下所能輸出的電量，它等于放電電流和放電所能輸出的電量，它等于放電電流和放電時(shí)

10、間的乘積。時(shí)間的乘積。是指經(jīng)過(guò)使用后，在指定的放電是指經(jīng)過(guò)使用后，在指定的放電率和溫度狀態(tài)下可以從電池中放出的電量。率和溫度狀態(tài)下可以從電池中放出的電量。質(zhì)量能量密度：電池單位質(zhì)量所能輸出的電能。質(zhì)量能量密度：電池單位質(zhì)量所能輸出的電能。W.h/kg體積能量密度：體積能量密度：電池單位體積所能輸出的電能。電池單位體積所能輸出的電能。W.h/L 電池的能量是指在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的放電制度下，電池電池的能量是指在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的放電制度下，電池所輸出的電能，單位：所輸出的電能，單位：W.h或或kW.h。電池的荷電狀態(tài)（電池的荷電狀態(tài)（SOC）描述電池剩余容量占額定容）描述電池剩余容量占額定容量的百分比。量的百分

11、比。 電池的功率是指在一定的放電制度下，單位時(shí)間電池的功率是指在一定的放電制度下，單位時(shí)間內(nèi)電池輸出的能量，單位：內(nèi)電池輸出的能量，單位：W或或kW。單位質(zhì)量的電池輸出的功率為質(zhì)量功率密度。單位質(zhì)量的電池輸出的功率為質(zhì)量功率密度。 W/kg單位體積的電池輸出的功率為體積功率密度。單位體積的電池輸出的功率為體積功率密度。 W/L即電池已經(jīng)放出的電量與電池額定容量的比值。即電池已經(jīng)放出的電量與電池額定容量的比值。(Depth of discharge) 以電池充電一以電池充電一次和放電一次為一次和放電一次為一個(gè)循環(huán)，按一定的個(gè)循環(huán)，按一定的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)電池測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)電池容量降到某一規(guī)定容量降到某

12、一規(guī)定值以前，電池經(jīng)歷值以前，電池經(jīng)歷的充放電循環(huán)的總的充放電循環(huán)的總次數(shù)。次數(shù)。 電池對(duì)短路、過(guò)充電、過(guò)放電、機(jī)械電池對(duì)短路、過(guò)充電、過(guò)放電、機(jī)械振動(dòng)、撞擊、擠壓以及遭受高溫和著火等振動(dòng)、撞擊、擠壓以及遭受高溫和著火等非正常使用情況的容忍程度。非正常使用情況的容忍程度。即蓄電池放電時(shí)的電壓即蓄電池放電時(shí)的電壓時(shí)間曲線。時(shí)間曲線。4.1 蓄電池的放電特性蓄電池的放電特性4.2 蓄電池的充電特性蓄電池的充電特性蓄電池在充電時(shí)外特性，即充電時(shí)的電壓蓄電池在充電時(shí)外特性，即充電時(shí)的電壓時(shí)間曲線。時(shí)間曲線。4.3 電動(dòng)勢(shì)電動(dòng)勢(shì) 電池兩極的電動(dòng)勢(shì)是根據(jù)電池反電池兩極的電動(dòng)勢(shì)是根據(jù)電池反應(yīng)通過(guò)熱力學(xué)方法進(jìn)

13、行計(jì)算的理論應(yīng)通過(guò)熱力學(xué)方法進(jìn)行計(jì)算的理論值；開(kāi)路電壓是根據(jù)電池兩極間電值；開(kāi)路電壓是根據(jù)電池兩極間電位差進(jìn)行測(cè)定的實(shí)際測(cè)量值。位差進(jìn)行測(cè)定的實(shí)際測(cè)量值。常用蓄電池的電動(dòng)勢(shì)、開(kāi)路電壓常用蓄電池的電動(dòng)勢(shì)、開(kāi)路電壓4.4 蓄電池的內(nèi)阻蓄電池的內(nèi)阻 電池內(nèi)阻是電流通過(guò)電池內(nèi)部時(shí)所受到的電池內(nèi)阻是電流通過(guò)電池內(nèi)部時(shí)所受到的阻力。電池內(nèi)阻包括歐姆電阻和極化電阻兩種。阻力。電池內(nèi)阻包括歐姆電阻和極化電阻兩種。 歐姆電阻：是電池內(nèi)部本身固有的電阻，歐姆電阻：是電池內(nèi)部本身固有的電阻，與電池內(nèi)部組成有關(guān)；與電池內(nèi)部組成有關(guān)； 極化電阻：是由于電流通過(guò)時(shí)產(chǎn)生的，極化電阻：是由于電流通過(guò)時(shí)產(chǎn)生的，與通過(guò)的電流強(qiáng)度

14、有關(guān)。因此電池的內(nèi)阻有與通過(guò)的電流強(qiáng)度有關(guān)。因此電池的內(nèi)阻有時(shí)也稱為電池的全電阻。時(shí)也稱為電池的全電阻。 電池內(nèi)阻可表示為開(kāi)路電壓與放電電壓之差電池內(nèi)阻可表示為開(kāi)路電壓與放電電壓之差除以電流的商。除以電流的商。即即4.5蓄電池的放電電壓蓄電池的放電電壓 蓄電池的放電電壓可用開(kāi)路電壓、放電電流和內(nèi)蓄電池的放電電壓可用開(kāi)路電壓、放電電流和內(nèi)阻表示：阻表示：4.6 蓄電池放電電流對(duì)電池容量的影響蓄電池放電電流對(duì)電池容量的影響蓄電池容量與放電電流的關(guān)系蓄電池容量與放電電流的關(guān)系4.7 溫度對(duì)蓄電池容量的影響溫度對(duì)蓄電池容量的影響4.8 自放電對(duì)電池容量的影響自放電對(duì)電池容量的影響4.9 極化現(xiàn)象極化現(xiàn)

15、象 當(dāng)電池充電或者放電時(shí)，正負(fù)極板和電解液的平衡狀態(tài)遭到破壞，正負(fù)極之間的工作電壓U偏離其電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象叫做極化現(xiàn)象。 歐姆極化也稱為純電阻壓降，是由極板電阻、隔板電阻、電解液電阻、樁頭、連接條、匯流排以及它們的接觸面電阻構(gòu)成，所產(chǎn)生的電壓降也稱為內(nèi)阻壓降。 電池單體SOC-開(kāi)路電壓曲線 電池單體充放電全內(nèi)阻曲線 無(wú)電流通過(guò)時(shí)，蓄電池正負(fù)極的平衡電位是根據(jù)電解液內(nèi)的離子濃度確定的。有電流通過(guò)時(shí)，由于發(fā)生電極反應(yīng)，電極表面液層中的濃度發(fā)生變化，使得電極電位和平衡電極電位之間存在著一定的差距，這種電極電位的偏移稱為濃差極化。 解決蓄電池濃差極化最有效的方法是 5.1 鎘鎳電池鎘鎳電池 應(yīng)用廣，其

16、比能量可達(dá)55Wh/kg，比功率超過(guò)190W/kg。 特點(diǎn)：1、快速充電快，循環(huán)使用壽命長(zhǎng)。 2、購(gòu)置成本高、使用成本低 注意：重金屬鎘造成環(huán)境污染 電池式：電池式：（）Cd|KOH|NiOOH（）放電反應(yīng)：放電反應(yīng)：充電反應(yīng)：充電反應(yīng)：5.2 鎳氫電池鎳氫電池是一種取代鎳鎘蓄電池的產(chǎn)品。 NI-MH電池正極活性物質(zhì)為氫氧化鎳，負(fù)極活性物質(zhì)為貯氫合金，電解液為氫氧化鉀溶液。1、不含鎘、銅，不存在重金屬污染問(wèn)題。 特點(diǎn)：2、比能量高。 5.3鈉硫電池鈉硫電池5.4 鋅鋅空氣電池空氣電池5.6 鋰電池鋰電池 根據(jù)電解質(zhì)的不同,分為鋰聚合物電池PLB(Polymer lithium-ion batt

17、ery)鋰離子電池L IB(Lithium-ion battery)5.5 鎳鎳鋅電池鋅電池工作電壓高，比能量高，循環(huán)壽命長(zhǎng)，自放電率低，無(wú)記憶性，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，能夠制造成任意形狀。 成本高，必須有特殊的保護(hù)電路，以防止過(guò)充電。 具有液態(tài)鋰離子電池優(yōu)良性能，聚合物鋰離子電池具有可薄形化、任意面積化與任意形狀化等優(yōu)點(diǎn)，也不會(huì)產(chǎn)生漏液與燃燒爆炸等安全上的問(wèn)題。 解決了液態(tài)鋰離子電池的安全性問(wèn)題，生產(chǎn)成本也較低。 比功率差，快速充電性能差，制造工藝更復(fù)雜，要求更高，仍為實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)品，目前除了壽命和價(jià)格外，其它性能可接近或達(dá)到USABC的商業(yè)化目標(biāo)。5.7 鈉氯化鎳電池（鈉氯化鎳電池（Na/NiCl2）

18、 電池單體的額定電壓2.5V。 NaNiCl2 電池也稱為Zebra 電池, 是1978 年南非ZebraPower System 公司的J . Coetzer 發(fā)明的。 比能量超過(guò)100Wh/ kg ,無(wú)自放電效應(yīng),耐過(guò)充、過(guò)放電,可快速充電(30 min50 % SOC) ,安全可靠,但是工作溫度高(250350 ) ,而且內(nèi)阻與工作溫度、電流和充電狀態(tài)SOC 有關(guān),因此需要有加熱和冷卻管理系統(tǒng)。 由美國(guó)能源部、電能研究所、福特、通用、克萊斯勒由美國(guó)能源部、電能研究所、福特、通用、克萊斯勒公司以及電池生產(chǎn)廠商聯(lián)合成立的美國(guó)先進(jìn)電池聯(lián)合會(huì)公司以及電池生產(chǎn)廠商聯(lián)合成立的美國(guó)先進(jìn)電池聯(lián)合會(huì)（US

19、ABC），制定了電動(dòng)汽車用蓄電池的中、長(zhǎng)期性能），制定了電動(dòng)汽車用蓄電池的中、長(zhǎng)期性能指標(biāo)。指標(biāo)。n由于電動(dòng)汽車頻繁起動(dòng)和停車，使得蓄電池的放電過(guò)程變化很大。在正常行駛時(shí)，電動(dòng)汽車從蓄電池中吸取的平均功率相當(dāng)?shù)停铀俸团榔聲r(shí)的峰值功率又相當(dāng)高，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)到161。n事實(shí)上，電動(dòng)汽車行駛中，用于加速和爬坡時(shí)所消耗的能量占到總能耗的2/3。在現(xiàn)有的電池技術(shù)條件下，蓄電池必須在比能量和比功率以及比功率和循環(huán)壽命之間作出平衡，而難以在一套能源系統(tǒng)上同時(shí)追求高比能量、高比功率和長(zhǎng)壽命。為了解決電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程與加速爬坡性能之間的矛盾，可以考慮采用兩套能源系統(tǒng)，其中

20、由主能源提供最佳的續(xù)駛里程，而由輔助能源在加速和爬坡時(shí)提供短時(shí)的輔助動(dòng)力。n輔助能源系統(tǒng)的能量可以直接取自主能源，也可以在電動(dòng)汽車剎車或下坡時(shí)回收可再生的動(dòng)能。選用超級(jí)電容作輔助能源已引起廣泛關(guān)注。 n 超級(jí)電容是近幾年才批量生產(chǎn)的一種無(wú)源器件，介于電池與普通電容之間，具有電容的大電流快速充放電特性，同時(shí)也有電池的儲(chǔ)能特性，并且重復(fù)使用壽命長(zhǎng)，放電時(shí)利用移動(dòng)導(dǎo)體間的電子（而不依靠化學(xué)反應(yīng)）釋放電流，從而為設(shè)備提供電源。 6.1 什么是超級(jí)電容什么是超級(jí)電容6.3 超級(jí)電容與傳統(tǒng)電容的不同超級(jí)電容與傳統(tǒng)電容的不同n電容是以將電荷分隔開(kāi)來(lái)的方式儲(chǔ)存能量的，儲(chǔ)存電電容是以將電荷分隔開(kāi)來(lái)的方式儲(chǔ)存能量

21、的，儲(chǔ)存電荷的面積越大，電荷被隔離的距離越小，電容越大。荷的面積越大，電荷被隔離的距離越小，電容越大。n傳統(tǒng)電容傳統(tǒng)電容是從是從平板狀導(dǎo)電材料平板狀導(dǎo)電材料得到其儲(chǔ)存電荷面積的得到其儲(chǔ)存電荷面積的，只有將一很長(zhǎng)材料纏繞起來(lái)才能獲得大的面積，從，只有將一很長(zhǎng)材料纏繞起來(lái)才能獲得大的面積，從而獲得大的電容。另外傳統(tǒng)電容是用塑料薄膜、紙張而獲得大的電容。另外傳統(tǒng)電容是用塑料薄膜、紙張或陶瓷等將電荷板隔開(kāi)。這類絕緣材料的厚度不可能或陶瓷等將電荷板隔開(kāi)。這類絕緣材料的厚度不可能做得非常簿。做得非常簿。n超級(jí)電容超級(jí)電容是從是從多孔碳基電極材料多孔碳基電極材料得到其儲(chǔ)存電荷面積得到其儲(chǔ)存電荷面積的，這種材

22、料的多孔結(jié)構(gòu)使它每克重量的表面積可達(dá)的，這種材料的多孔結(jié)構(gòu)使它每克重量的表面積可達(dá)2000平方米。而超級(jí)電容中電荷分隔的距離是由電平方米。而超級(jí)電容中電荷分隔的距離是由電解質(zhì)中的離子大小決定的，其值小于解質(zhì)中的離子大小決定的，其值小于10埃。埃。n巨大的表面積加上電荷之間非常小的距離，使得超級(jí)巨大的表面積加上電荷之間非常小的距離，使得超級(jí)電容有很大的電容。一個(gè)超級(jí)電容單元的電容值，可電容有很大的電容。一個(gè)超級(jí)電容單元的電容值，可以從一法拉至幾千法拉。以從一法拉至幾千法拉。6.3 超級(jí)電容的特性超級(jí)電容的特性n體積小，容量大，電容量比同體積電解電容容量大3040倍n充電速度快，10秒內(nèi)達(dá)到額定容

23、量的95%n充放電能力強(qiáng)n失效開(kāi)路，過(guò)電壓不擊穿，安全可靠n超長(zhǎng)壽命，可長(zhǎng)達(dá)40萬(wàn)小時(shí)以上n充放電線路簡(jiǎn)單，無(wú)需充電電池那樣的充電電路，真正免維護(hù)n電壓類型：2.7v-12.0vn容量范圍：0.1F-1000F 6.4 超級(jí)電容超級(jí)電容&電池的比較電池的比較n超低串聯(lián)等效電阻（LOW ESR），功率密度(Power Density)是鋰離子電池的數(shù)十倍以上，適合大電流放電，（一枚4.7F電容能釋放瞬間電流18A以上）n超長(zhǎng)壽命，充放電大于50萬(wàn)次，是Li-Ion電池的500倍，是Ni-MH和Ni-Cd電池的1000倍，如果對(duì)超級(jí)電容每天充放電20次，連續(xù)使用可達(dá)68年n可以大電流充電，

24、充放電時(shí)間短，對(duì)充電電路要求簡(jiǎn)單，無(wú)記憶效應(yīng)，免維護(hù)，可密封n溫度范圍寬-40+70，一般電池是-20606.5 兩類超級(jí)電容器兩類超級(jí)電容器n啟動(dòng)型超級(jí)電容器：即輕型的超級(jí)電容器，可以輸出幾秒到幾十秒的瞬間大電流，承擔(dān)設(shè)備啟動(dòng)所需要的大功率電能，常用于各類電動(dòng)汽車和重型機(jī)械設(shè)備中，單體容量50F以上，50000F以下，可幾個(gè)到幾百個(gè)串聯(lián)使用，組件電壓從12VDC直到700VDC以上。n牽引型超級(jí)電容器：即重型的超級(jí)電容器，可以連續(xù)幾分鐘到幾十分鐘輸出較高強(qiáng)度的電流，在許多場(chǎng)合可以替代傳統(tǒng)的蓄電池承擔(dān)設(shè)備驅(qū)動(dòng)所需的電能供應(yīng)工作，常用于各類電動(dòng)汽車、機(jī)械設(shè)備、太陽(yáng)能系統(tǒng)和電子電器中，單體容量最高

25、可達(dá)到100000F以上，可以幾個(gè)到幾百個(gè)串并聯(lián)使用，組件電壓從12VDC直到800VDC以上。 6.6 超級(jí)電容的應(yīng)用超級(jí)電容的應(yīng)用n作為固定線路電動(dòng)汽車的主電源，提供短途行駛所需要的能量； n作為燃料電池電動(dòng)車的輔助動(dòng)力電源，與燃料電池主電源形成混合動(dòng)力，提供瞬間大功率（啟動(dòng)、爬坡、加速時(shí)）并回收剎車能量，起到重要的功率平衡作用；n作為車輛、機(jī)械、船舶等設(shè)備中燃油發(fā)動(dòng)機(jī)的輔助電源，形成油電混合動(dòng)力，大幅度降低燃油的消耗、提高發(fā)動(dòng)機(jī)峰值功率并減少有害氣體排放；n作為電池型電動(dòng)工具的主電源，提供短時(shí)驅(qū)動(dòng)的能量；n作為太陽(yáng)能、風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)中的永久性蓄能裝置；n作為電站直流操作電源、高壓環(huán)網(wǎng)功率補(bǔ)

26、償電源等；n在電子電器（汽車音響、儀器儀表、家用電器、手機(jī)、電腦、數(shù)碼相機(jī)）中作為備用電池或主電池 。n一次電源(主電源)的大小可滿足車輛連續(xù)平均功率的要求來(lái)選擇，超級(jí)電容與一次電源并聯(lián)使用。超級(jí)電容與一次電源組合在一起應(yīng)用，主電源的體積、容量、重量、成本都得到降低，也使電池壽命延長(zhǎng)。n超級(jí)電容用來(lái)對(duì)付起步、加速等尖峰功率的要求，當(dāng)車輛制動(dòng)時(shí)超級(jí)電容吸收制動(dòng)能量，有利于提高能量利用效率。n在車輛中使用超級(jí)電容還可改善安全氣囊發(fā)火、座位安全帶系緊、電動(dòng)門鎖門窗以及要求快速響應(yīng)道路情況的動(dòng)力懸架等的性能。 6.7 超級(jí)電容在電動(dòng)車輛中的使用超級(jí)電容在電動(dòng)車輛中的使用n超級(jí)電容器也屬于雙電層電容器，

27、它是世界上已投入量產(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。傳統(tǒng)物理電容中儲(chǔ)存的電能來(lái)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 / 3.6 d 10-6 (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 = 1/2 C （V）26.8 超級(jí)電容技術(shù)原理超級(jí)電容技術(shù)原理 n其中C為電容值，V為極板間的電壓降?？梢?jiàn)，若想獲得較大的電容量、儲(chǔ)存更多的能量，必須增大面積A或減少介質(zhì)厚度d。 雙電層電容器中，采用活性

28、炭材料制作成多孔電極，同時(shí)在相對(duì)的碳多孔電極之間充填電解質(zhì)溶液，當(dāng)在兩端施加電壓時(shí)，相對(duì)的多孔電極上分別聚集正負(fù)電子，而電解質(zhì)溶液中的正負(fù)離子將由于電場(chǎng)作用分別聚集到與正負(fù)極板相對(duì)的界面上，從而形成兩個(gè)集電層，相當(dāng)于兩個(gè)電容器串聯(lián)，如圖所示：6.9 超級(jí)電容器的優(yōu)缺點(diǎn)超級(jí)電容器的優(yōu)缺點(diǎn)n優(yōu)點(diǎn)：在很小的體積下達(dá)到法拉級(jí)的電容量；無(wú)須特別的充電電路和控制放電電路；和電池相比過(guò)充、過(guò)放都不對(duì)其壽命構(gòu)成負(fù)面影響；從環(huán)保的角度考慮，它是一種綠色能源；超級(jí)電容器可焊接，因而不存在像電池接觸不牢固等問(wèn)題n缺點(diǎn) ：如果使用不當(dāng)會(huì)造成電解質(zhì)泄漏等現(xiàn)象；和鋁電解電容器相比，它內(nèi)阻較大，因而不可以用于交流電路。n超

29、高速飛輪是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車儲(chǔ)能要求的一種有效方式，它具有高比能量、高比功率、長(zhǎng)循環(huán)壽命 、高能量效率、能快速充電、免維護(hù)和良好的性能價(jià)格比等優(yōu)點(diǎn)。n在混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中，若飛輪用作輔助能量源，則飛輪在車輛勻速行駛和再生制動(dòng)時(shí)以機(jī)械形式實(shí)施充電儲(chǔ)能而在車輛啟動(dòng)、加速或爬坡時(shí)進(jìn)行發(fā)電并輸出峰值功率。n除了可以作主能源的負(fù)載均衡裝置之外，超高速飛輪也可單獨(dú)用作電動(dòng)汽車的能量源。 7.1 超高速飛輪的特點(diǎn)超高速飛輪的特點(diǎn) n超高速飛輪主要具有以下特點(diǎn)：比能量高、比功率高、電能和機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)化效率高，成為遠(yuǎn)期儲(chǔ)能裝置的一種選擇。n首先，減弱了對(duì)電池比能量和比功率之間的要求，有利于優(yōu)化電池的比能量密度和循環(huán)壽命

30、設(shè)計(jì)；n其次，由于飛輪的負(fù)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；n最后，在車輛低功率行駛以及再生制動(dòng)時(shí)，飛輪可以高效率地實(shí)現(xiàn)補(bǔ)充充電。由于負(fù)載均衡裝置和主能源之間的協(xié)調(diào)工作和再生制動(dòng)時(shí)的能量回收，車輛的續(xù)駛里程明顯提高。n超高速飛輪還可以像蓄電池和燃料電池一樣，作為獨(dú)立的能源系統(tǒng)向電動(dòng)汽車供電，并有可能成為電動(dòng)汽車應(yīng)用的遠(yuǎn)期目標(biāo)。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(guò)內(nèi)燃機(jī)，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(wèn)題 。 7.2 超高速飛輪的設(shè)計(jì)超高速飛輪的設(shè)計(jì)n發(fā)展能夠應(yīng)用于電動(dòng)汽車的超高速飛輪，其主要技術(shù)包括：能夠承受超高速運(yùn)行的高效雙向轉(zhuǎn)換的電機(jī)和功率變換器高強(qiáng)度飛輪；能夠?qū)㈦娔芎蜋C(jī)械能進(jìn)行。n與傳統(tǒng)質(zhì)量飛輪不同的是，超高速飛輪重量輕而轉(zhuǎn)速極高，下面從飛輪所儲(chǔ)存的能量E的計(jì)算公式出發(fā)進(jìn)行分析：n式中 J 為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； 為飛輪轉(zhuǎn)速。 n由上式可見(jiàn)，飛輪的機(jī)械儲(chǔ)能量與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量成正比，而與轉(zhuǎn)速的平方成正比。提高飛輪轉(zhuǎn)速所增加的儲(chǔ)能量完全可以