新能源汽车动力电池原理应用

2023-08-27 理论教育版权反馈

【摘要】：超级电容器主要应用在混合动力电动汽车上，超级电容器-蓄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有效途径之一。超级电容器功率密度高于现有的各种动力电池。2）缺点超级电容器的能量密度远低于其他动力电池的能量密度，装备双电层超级电容器的电动车，一次充电的行程不超过30 km，只适合在行程10 km或行驶5 min的充电站点范围内运行，因此需要频繁充电，这也限制了超级电容器的灵活性和超级电容器汽车的行驶里程。

1．飞轮电池

飞轮电池的概念起源于20世纪70年代早期，最初只是想将其应用在电动汽车上，但限于当时的技术水平，并没有得到发展。直到20世纪90年代，由于电路拓扑思想的发展、碳纤维材料的广泛应用以及全世界范围对污染的重视，这种新型电池又得到了高速发展，并且伴随着磁轴承技术的发展，这种电池显示出更加广阔的应用前景，现正迅速地从实验室走向社会。欧美国家已出现实用化产品，而我国在这方面的研究才刚刚起步。图5-1-16所示为飞轮电池。

pagenumber_ebook=100,pagenumber_book=91

图5-1-16　飞轮电池

飞轮电池主要由飞轮、电动机、发电机和输入/输出电子装置组成，如图5-1-17所示。

飞轮电池的内部结构，主要由飞轮、轴、轴承、电动机、真空容器和电力电子变换器等部件组成。飞轮是整个电池装置的核心部件，它直接决定了整个装置的储能多少。电力电子变换器通常是由场效应晶体管和绝缘栅极场效应晶体管组成的双向逆变器，它们决定了飞轮装置输入、输出能量的大小。

飞轮储能电池系统包括飞轮、电动机、发电机和电力电子变换装置。电力电子变换装置从外部输入电能驱动电动机旋转，电动机带动飞轮旋转，飞轮储存动能（机械能）。当外部负载需要能量时，用飞轮带动发电机旋转，将动能转化为电能，再通过电力电子变换装置变成负载所需要的各种频率、电坟等级的电能，以满足不同的需求。

飞轮电池比能量可达150(W·h)/kg，比功率达5 000～10 000 W/kg，使用寿命长达25年，理论上可供电动汽车行驶达5 000万km。美国飞轮系统公司已用最新研制的飞轮电池成功地把一辆克莱斯勒LHS轿车改装成电动轿车，一次充电可行驶600 km，由静止到96 km/h的加速时间为6.5 s。

pagenumber_ebook=101,pagenumber_book=92

图5-1-17　飞轮电池结构示意图

2．超级电容器

超级电容器是介于化学蓄电池和电解质电容器之间的一种新型储能装置，有着电容器的快放电特性，也有着化学电池的存储功能。超级电容器与传统电容器不同，传统电容器由电极和电解液构成，而超级电容器依靠电解质与电极接触界面上形成的特有双层结构储存能量。

由于正负离子在固体电极和电解液之间的表面上分别吸附，造成两固体电极之间的电势差，从而实现能量的存储。充电时，在固体电极上电荷引力的作用下，电解液中的阴阳离子分别聚集在两个固体电极的表面。放电时，阴阳离子离开固体电极的表面，返回电解液本体。

与传统电容器和化学电池相比，超级电容器的比功率是电池的10倍以上，储存电荷的能力比普通电容器高，能够实现快充快放，循环寿命长，安全性高，使用无腐蚀性的电解质和低毒性的材料，无污染。其缺点是自放电率大大高于传统电池，单位质量储存的能量较低。

超级电容器主要应用在混合动力电动汽车上，超级电容器-蓄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有效途径之一。随着对电动汽车用超级电容器的进一步研究和开发，超级电容器-蓄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。

1）优点

（1）超级电容器可以大电流充电，当超级电容器电动公交汽车到达车站时，可以快速充电，储备电荷，然后在车辆行驶时，为车辆提供电能。超级电容器还可以大电流放电，一般在电动车辆上所采用的超级电容器的单位容量可达1 500 F以上，因此可以在电动车辆起动时提供所需要的峰值电流，减小主电源（动力电池组）的负荷，延长动力电池组的寿命。

（2）超级电容器在充放电的过程中，能够实现快速充电，在数十秒到数分钟时间内，即可完成对电容器的充电，充放电效率可达到98%（动力电池为70%左右）。整个充放电过程中没有任何化学反应过程，没有任何噪声，不对周边环境造成污染，是一种更加理想的电能储能器。超级电容器功率密度高于现有的各种动力电池。

（3）工作温度范围很广，在-40～+50℃的温度范围内性能变化小，循环寿命长达10万次。性能稳定，制动能量回收率可达到40%～70%。

（4）安全系数高，无毒性、无污染，结构简单，质量轻，体积小，长期使用可免维护。

（5）检测方便，剩余电量可直接读出。

2）缺点

（1）超级电容器的能量密度远低于其他动力电池的能量密度，装备双电层超级电容器的电动车，一次充电的行程不超过30 km，只适合在行程10 km或行驶5 min的充电站点范围内运行，因此需要频繁充电，这也限制了超级电容器的灵活性和超级电容器汽车的行驶里程。

（2）活性炭的理论容量大于600 F/g，目前商品化超级电容器使用的活性炭的实际容量小于200 F/g，理论的比能量为10～15(W·h)/kg，实际的比能量为3～6(W·h)/kg，说明超级电容器还存在相当大的潜力，如果活性炭的比容量能够达到75～100 F/cm，超级电容器的体积和质量还可以大幅减小。目前超级电容器的价格为5美元/（W·h），远期目标价格为1美元/（W·h），目前使用成本还较高。

（3）受电坟或温度变化的影响，超级电容器的循环次数（寿命）将快速下降，双层超级电容器的电坟每上升0.1 V寿命减少一半，温度每上升1℃寿命减少一半，控制在25℃时可以达到预期寿命，如果使用温度为45℃，则预期寿命为2.5年，使用温度为55℃，则预期寿命仅为14个月。

新能源汽车动力电池原理应用

相关推荐