飞轮电池与超级电容

1、新能源汽车技术,复习,1.镍氢电池的主要特点和应用； 2.锂离子电池的主要特点和应用,2.5 飞轮电池与超级电容,教学目标： 1.掌握飞轮电池的主要特点和应用； 2.掌握超级电容的主要特点和应用,2.5.1 飞轮电池,飞轮电池是20世纪90年代才提出的新概念电池。它突破了化学电池的局限，用物理方法实现蓄能。飞轮电池储能是基于飞轮以一定角速度旋转时，可以存储动能的基本原理。 飞轮电池正是以其动能转换成电能的,1飞轮电池的结构与原理,飞轮电池实际是一种机电能量转换和储存装置，根据飞轮能够储存和释放能量的特性研制的一种机械式蓄电池就是飞轮蓄电池。在飞轮的内部镶有永久性磁铁，外壳上装有感应线圈，这样飞

2、轮就具有电动机和发电机的双重功能,1飞轮电池的结构与原理,对飞轮电池充电时，通过电力电子装置从外部输入电能而使电机旋转，电机（此时作为电动机）驱动飞轮加速旋转，飞轮储存的动能（机械能）就增大。飞轮电池向外放电时，由高速旋转的飞轮带动电机（此时作为发电机）旋转，将动能转化为电能， 再通过电力电子变换装置将电能转换为负载所需的频率和电压,1飞轮电池的结构与原理,飞轮电池主要由飞轮、轴、轴承、电机、真空容器和电力电子变换器等组成，如图所示,1飞轮电池的结构与原理,外设通过电力电子装置给电机供电时，电机就作为电动机使用，它的作用是给飞轮加速，储存能量；当负载需要电能时，飞轮给电机施加转矩，电机又作为发

3、电机使用，通过电力电子装置给外设供电,1飞轮电池的结构与原理,整个飞轮储能装置中，飞轮无疑是其中的核心部件，它直接决定了整个装置的储能多少，它储存的能量e由下式决定,式中：j为飞轮的转动惯量，与飞轮的形状和重量有关； max为飞轮允许的最高工作转速,rad/s； min为飞轮允许的最低工作转速,rad/s,2飞轮电池的特点,能量密度高。飞轮电池的能量密度可达100200wh/kg，功率密度可达500010000w/kg 能量转换效率高、充电快。飞轮电池工作时的能量损失很小，其能量转换效率高达90%以上。由于飞轮电池无最大充电电流的限制，其充电速度取决于飞轮的角加速度，因而充电很快。 体积小、质

4、量轻。飞轮采用了碳纤维材料，直径一般也不大。与化学电池和燃料电池相比，飞轮电池的体积小、质量轻。 工作温度范围宽。飞轮电池对环境温度没有严格限制。 使用寿命长。飞轮电池无重复深度放电影响，其循环充放电次数可达数百万次，预期寿命可达20年以上,2飞轮电池的特点,维护周期长。飞轮电池的轴承采用磁悬浮形式，飞轮在真空环境下运转，其机械损耗微乎其微，因而其维护周期长。 飞轮电池特别适合用作电动汽车的辅助蓄能装置，在车辆起步、加速、爬坡等行驶工况时，协助蓄电池供电，可提高电动汽车的动力性，并延长蓄电池的使用寿命。在车辆制动时，飞轮电池可很好地回收制动能量。用飞轮电池作蓄能装置的电动汽车也早被世界各国所关

5、注。美国飞轮系统公司用其最新研制的飞轮电池将一辆克莱斯勒lhs轿车改成电动轿车，一次充电可行驶600km，096km/h的加速时间仅为6.5s,3.飞轮电池在电动汽车上的应用案例,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能的电动公交客车，飞轮直径1.63m，重1.5t，可载乘客70名，在行驶过程中，需要在每个车站(站间距约800m)停车充电2min,3.飞轮电池在电动汽车上的应用案例,1987年，德国开发了飞轮电池混合动力汽车，利用飞轮电池吸收90%的制动能量，并在需要短时加速等工况下输出电能补充内燃机功率的不足,3.飞轮电池在电动汽车上的应用案例,

6、1992年，美国飞轮系统公司(afs)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,3.飞轮电池在电动汽车上的应用案例,保时捷911 gt3采用机电飞轮代替蓄电池为能源。该系统包括一台连接有电动机/发电机的电动飞轮。飞轮最高转速高达40,000r/min,沃尔沃在赛车上应用的动能回收系统（kinetic energy recovery systems，简称 kers）采用的就是机械飞轮储能结构，储存来自车身的动能并储存在由一块重量6kg，直径20cm的碳纤维组成飞轮模块中，需要释放时，其通过cvt变速模块将能量传递至后桥直接驱动车轮。根据官方测试的结果

7、表明，使用了该技术的四缸涡轮增压发动机可以达到6缸涡轮增压发动机的水平，同时相比六缸涡轮增压发动机减少25%的油耗,2.5.1 超级电容,超级电容器(supercapacitor，ultracapacitor),又叫黄金电容、法拉电容,通过极化电解质来储能，属于双层电容的一种。由于其储能的过程并不发生化学反应，因此这种储能过程是可逆的，正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。由于其容量很大，对外表现和电池相同，因此也称作“电容电池”或说“黄金电池”。超级电容器是目前世界上已投入量产的双电层电容器中容量最大的一种，其基本原理和其它种类的双电层电容器一样，都是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电

8、层结构获得超大的容量,1.传统电容储能方法,传统物理电容中储存的电能来源于电荷在两块极板上的分离,两块极板之间为真空(相对介电常数为1)或一层介电物质(相对介电常数为)所隔离,电容值为： c=a/3.6d10-(f) 其中a为极板面积,d为介质厚度。 所储存的能量为： e=c(v)2/2 其中c为电容值，v为极板间的电压降,2.超级电容器的概念,19,什么是超级电容器,超级电容器（supercapacitor）是指相对传统电容器而言具有更高容量的一种电容器。通过极化电解质来储存能量,3.超级电容工作原理,目前主要的双层结构超级电容主要有碳电极双电层电容器，金属氧化物电极双层电容器和有机聚合物电

9、极双层电容器，但是由于金属氧化物（氧化钌）电极电容价格高昂，有二次污染等因素，目前主要用于军事领域。有机聚合物技术尚未成熟，因此在电动汽车上广泛使用的主要是碳电极超级电容,3.超级电容工作原理,碳电极超级电容器的面积是基于多孔碳材料，该材料的多孔结构允许其面积达到2000m2/g，通过一些措施还可以实现更大的表面积。碳电极超级电容器电荷分离开的距离是由被吸引到带电电极的电解质离子尺寸决定的，该距离比传统电容器薄膜材料所能实现的距离更小。这种庞大的表面积再加上非常小的电荷分离距离使得超级电容器较传统电容器而言有巨大的静电容量,双电层储能,3.超级电容工作原理,超级电容器中，多孔化电极采用的是活性

10、碳粉或活性碳或活性碳纤维，电解液采用有机电解质，如丙烯碳酸脂或高氯酸四乙氨等。工作时，在可极化电极和电解质溶液之间界面上形成的双电层中聚集电容量，其多孔化电极在电解液中吸附电荷，因而可以存储很大的静电能量，超级电容器的这一储电特性介于传统的电容器与电池之间。尽管这能量密度比电池低，但是这能量的储存方式，有快充快放的特点，可以应用在传统电池难以解决的短时高峰值电流应用之中,4.超级电容在车辆上的应用,超级电容适合用做电动汽车的辅助动力,汽车频繁的起步、爬坡和制动造成其功率需求曲线的变化很大，在城市路况下更是如此。一辆高性能的电动汽车的峰值功率与平均功率之比可达16：1，但是这些峰值功率的特点是持

11、续时间一般都比较短，需要的能量并不高。 对于纯电动、燃料电池和串联混合动力汽车而言，这就意味着要么汽车动力性不足，要么电压总线上要经常承受大的尖峰电流，这无疑会大大损害电池、燃料电池或其它apu的寿命,超级电容适合用做电动汽车的辅助动力,如果使用比功率较大的超级电容，当瞬时功率需求较大时，由超级电容提供尖峰功率，并且在制动回馈时吸收尖峰功率，那么就可以减轻对电池、燃料电池或其它apu的压力。从而可以大大增加起步、加速时系统的功率输出，而且可以高效地回收大功率的制动能量。这样做还可以提高电池的使用寿命，改善其放电性能,双电层超级电容器,超级电容适合用做电动汽车的辅助动力,其工作过程如下,1）启动

12、，加速，爬坡（箭头代表放电方向,超级电容适合用做电动汽车的辅助动力,其工作过程如下,2）正常行驶（箭头代表放电方向,超级电容适合用做电动汽车的辅助动力,其工作过程如下,3）减速制动（箭头代表放电方向,目前超级电容作为新能源汽车辅助动力的应用情况,应用一：本田fcx 本田fcx燃料电池-超级电容混合动力车是世界上最早实现商品化的燃料电池轿车。该车早在2002年就已经在日本和美国加洲上市。第5代fcx采用了新型质子交换膜形式的燃料电池模块，用超级电容加燃料电池的电能供应方式，这能够让fcx迅速达到一个较大的输出功率，弥补了燃料电池车启动和加速性能差的缺点，并将启动时间缩短到10s。车载空调系统是由

13、燃料电池组带动的，超级电容只提供车辆加速和爬坡时所需的峰值功率，同时回收车辆刹车时的回馈能量，超级电容电量不足时则由燃料电池带动电机利用输出的多余电功率来补充,目前超级电容作为新能源汽车辅助动力的应用情况,本田fcx及其超级电容安装结构,目前超级电容作为新能源汽车辅助动力的应用情况,应用二：日产混合动力卡车 在以内燃机作主能源的混合动力电动车方面，日产汽车公司于2002年6月24日推出了安装有柴油机、电动机和电容器的并联混合动力卡车。由额定功率为152千瓦的cidl发动机和55千瓦的永磁电机驱动，安装有日产公司开发的新型电容器“超级电力电容器(ecass)”，具有63千瓦的比功率，功率能量比高

14、达80。该车制动能量的功效高于其它电池供电的混合动力车。与日产柴油机汽车公司以往生产的柴油机汽车相比，该混合动力卡车可减少燃料成本50，减少二氧化碳排放量33，减少氧化氮排放量50,目前超级电容作为新能源汽车辅助动力的应用情况,应用二：日产混合动力卡车,目前超级电容作为新能源汽车辅助动力的应用情况,应用三：nissan混合动力大客车 nissan diesel公司开发了一辆15t的“cngc”串联式混合动力大客车，续驶里程比常规cng大客车提高了2.4倍。超级电容总重200kg，cng发动机在最优效率点带动一个75kw的发电机工作,超级电容用做汽车部件的辅助能源,除了用于动力驱动系统外，超级电

15、容在汽车零部件领域也有广泛的应用。例如，未来汽车设计使用的42v电系统（转向、制动、空调、高保真音响、电动座椅等），如果使用长寿命的超级电容，可以使得需求功率经常变化的子系统性能大大提高，另外还可以减少车内用于电制动、电转向等子系统的布线，同时减少汽车子系统对电池的功率消耗，延长电池使用时间,1,2,3,起停式,深度混合动力大客车,纯电动公交车,有机对称型超级电容器,有机对称型超级电容器 锂离子电容器,锂离子电容器,4.超级电容在车辆上的应用,混合动力大客车,混合动力汽车的驱动部分由超级电容电池系统和燃油系统组成。在起步、加速和低速行驶时由超容系统提供动力。在怠速、制动、滑行时可进行能量回收。

16、与传统汽车相比节油率可达到30%左右，减少污染70,4.超级电容在车辆上的应用,纯电动公交车,图示为奥威科技有限公司为上海世博会研制的无“辫子”的超级电容器纯电动汽车，每隔2-3英里就会在指定的充电站-兼具公交车站的功能-进行充电，只需几分钟，位于公交车座位下的超级电容器就充电完成了。超级电容器公交车也可以从刹车系统中获取能量，这类公交车使用的电力比无轨电车平均少40%，能耗仅为燃油车的1/3,4.超级电容在车辆上的应用,电动汽车其它应用,4.超级电容在车辆上的应用,车辆低温启动,利用超级电容器的优秀低温特性，确保车辆在低温条件下一次顺利启动成功,4.超级电容在车辆上的应用,脱线运行有轨电车,

17、图示为南车新能源和奥威科技开发的脱线运行有轨电车，代表了现代有轨电车技术发展的方向,轨道交通应用,4.超级电容在车辆上的应用,轨道交通应用方面：能量回收,轨道交通站间距短，列车启动、制动频繁，制动能量相当可观。利用超级电容器优秀的大功率充放电特性，回收制动能量，能够节省了约30的能量,4.超级电容在车辆上的应用,混合动力起重机械 /港口机械,超级电容混合动力起重机械和港口机械，能够大幅度降低能耗，减少空气和噪音污染,5.超级电容拓展应用,混合动力工程机械,超级电容混合动力工程机械，同样能够大幅度降低能耗，减少空气和噪音污染,5.超级电容拓展应用,纯电动叉车和高尔夫车,超级电容纯电动叉车和高尔夫

18、车经济性好、使用便捷、工作寿命长、大幅缩减充电设备建设,5.超级电容拓展应用,在可并微电网中的应用,超级电容器储能系统作为主要储能设备之一，配合锂离子电池或铅酸电池储能系统接入电网380v侧，利用超级电容器的快速响应和功率特性用于微电网的平滑切换和削峰填谷等,5.超级电容拓展应用,利用超级电容器的高可靠性和长寿命，将其作为风电设备的变桨电源,风电变桨电源,风电变桨电源,5.超级电容拓展应用,ups后备电池,功率型和能量型超级电容器分别可以用于1min和15min的后备电源上，满足数据中心、电网等对ups性能和成本的要求。ups起作用往往是在掉电或电网电压瞬时塌波的最初几秒到几分钟内起决定作用,

19、产品优势,1.使用寿命长，反复充电50万次; 2.工作温度范围宽-40+65 ; 3.放电速度快，瞬间放电电流可达几百至上千安培; 4.在线并联热备，响应时间10ms，电压自适应调节 5.免维护，绿色环保,5.超级电容拓展应用,ups直流屏,在电力系统中，直流电源屏为变配电设备提供直流电源，主要用在高压开关的分合闸等方面，其性能直接影响整个供电系统的安全运行。超级电容器利用自身优势，与蓄电池组组成复合电源，超容承担冲击负荷，蓄电池承担经常性负荷，从而延长蓄电池使用寿命，降低故障，减少成本,5超级电容拓展应用,电信应用,电信工业结合超级电容器电子电路开发的电能超高速缓冲存储器(powercach

20、e)储能模式，提供几秒钟的备用电源，同时还桥接长期电源。这种电信产品具有十分卓越的优点不须维修地工作10年，能快速再充电和抗干扰能力强,5.超级电容拓展应用,节能电梯,超级电容节能电梯节能显著、具备后备电源功能，成本可通过节约电费回收，应用空间极为广阔,电源控制器,智能控制器,超级电容组,电机,外电源,双向dc/dc,5超级电容拓展应用,航空应用,超级电容器被用作民航飞机舱门提供爆发动力电源，使用寿命可达25年，140000飞行小时 。在地面上，正常操作和紧急操作时，门必须被打开，在飞行时，门必须被关上并锁紧 ，滑道必须在紧急情况被需要的时候膨胀,5.超级电容拓展应用,医疗设备脉冲电源,利用超级电容器高比功率特性，在医疗设备中用作脉冲电源，如激光医疗设