第6章 储能装置（课件）-《新能源汽车》同步教学（人民交通出版社）

第6章 储能装置 一、情境引入小林想给人专业性的他介绍一下新能源汽车，也想问应该学习一下哪些知识。二、学习目标简要说出储能装置的性能指标有什么；简要说出锂离子电池的性能；简要说出镍氢电池的性能；简要说出飞轮电池的性能；简要说出超级电容的性能； 1 6.1 储能装置的性能指标 6.1.1 储能装置类型 电动汽车上的电能储能方式有物理储能和化学储能两种。物理储能方式在新能源汽车上指超级电容储能和飞轮电池储能两种。化学储能主要有两种，一种是可反复充电的化学电池，目前在汽车上使用的，主要包括铅酸蓄电池、镍氢电池和锂离子电池；另一种是不能充电的燃料电池。 2 表6-1 各种储能装置的性能指标比较 性能指标电池类型 超级电容 铅酸蓄电池 镍氢电池 锂离子电池 燃料电池 充电时间 几秒~几分钟 4~12小时 12~36小时 3~4小时 不能充电 充放电次数 500000 400~600 大于500 1000 大于500 工作电流 极高 高 高 中 低 记忆效应 无 轻微 有 很轻微 轻微 自放电（每月） 高 0.03％ 20％（中） 5—10％ 低 质量能量密（W·h/kg) 4~10 30 60~80 100~200 大于200 功率密度（W/kg) 大于1000 小于1000 大于1000 大于1000 35~1000 安全性 优 一般 良 差 差 环境 零污染 有污染 基本无污染 基本无污染 零污染 6.1 储能装置的性能指标 3 6.1.2 蓄电池的性能指标 1．电压（1）电动势：电池正极和负极之间的电位差E（见表6-2）。（2）开路电压：电池在开路时的端电压，一般开路电压与电池的电动势近似相等。 （3）额定电压：电池在标准规定条件下工作时应达到的电压。 （4）工作电压(负载电压、放电电压)：在电池两端接上负载（Load)后，在放电过程中显示出的电压。 （5）终止电压：电池在一定标准所规定的放电条件下放电时，电池的电压将逐渐降低，当电池再不宜继续放电时，电池的最低工作电压称为终止电压。 表6-2 不同电池电动势 电池 铅酸蓄电池 镍镉蓄电池 镍氢蓄电池 锰钴锂锂离子电池 磷酸铁锂锂离子电池 钠硫电池 电压 2.1V 1.2V 1.2V 3.7V 3.2V 2.1V 6.1 储能装置的性能指标 4 2．容量（1）理论容量根据蓄电池活性物质的特性，按法拉第定律计算出的最高理论值称为理论容量，一般用质量容量A·h/kg或体积容量A·h/L来表示。（2）实际容量实际容量指在一定条件下所能输出的电量，它等于放电电流与放电时间的乘积。（3）标称容量(公称容量)标称容量用来鉴别电池适当的近似安时值，由于没有指定放电条件，因此，只标明电池的容量范围，而没有确切值。（4）额定容量额定容量也称保证容量，按一定标准所规定的放电条件，电池应该放出的最低限度的容量。（5）荷电状态荷电状态(State of Charger，SOC)反映的是电池实际存储电荷与电池当前能存储的最多电荷之比，常用百分数表示。SOC=1即表示电池为充满状态。随着蓄电池放电，蓄电池的电荷逐渐减少，此时蓄电池的充电状态，可以用SOC的百分数的相对量来表示蓄电池中电荷的变化状态。一般蓄电池放电高效率区为50％～80％的SOC。 6.1 储能装置的性能指标 5 3．能量 电池的能量决定电动汽车的行驶距离，单位是kW·h，也称度。 （1）标称能量按一定标准所规定的放电条件下，电池所输出的能量称为标称能量。电池的标称能量是电池的额定容量与额定电压的乘积。（2）实际能量实际能量指在一定条件下电池所能输出的能量，电池的实际能量是电池的实际容量与平均工作电压的乘积。电池的质量包括电池本身结构件质量和电解质质量的总和。（3）比能量(W·h/kg)比能量指动力电池组单位质量中所能输出的能量。（4）能量密度(W·h/L)能量密度指动力电池组的能量密度是指动力电池组单位体积中所能输出的能量。 6.1 储能装置的性能指标 6 4．功率 在一定的放电制度下，电池在单位时间内所输出的能量用功率表示。电池的功率决定混合动力汽车的加速性能。（1）比功率(W/kg)电池的比功率是指电池单位质量中所具有电能的功率。（2）功率密度(W／L)电池的功率密度是指电池单位体积中所具有的电能的功率。【专业指导】“比”和“密度”的区别：比是和质量有关，密度是和体积有关。 6.1 储能装置的性能指标 7 5．内阻 电流通过电池内部电解液、隔膜、电极时受到的阻力会使电池的对外输出电压降低，此阻力称为电池的内阻。由于电池的内阻作用，使得电池在放电时端电压低于电动势和开路电压，在充电时充电的端电压高于电动势和开路电压。 6．循环次数 循环次数是指蓄电池的工作是一个不断充电、放电、充电、放电的循环过程，按一定标准的规定放电，当电池的容量降到某一个规定值（比如80%）的充放电循环次数。 6.1 储能装置的性能指标 8 7．使用年限(年) 电池除了以循环次数表示使用时间外，通常还要用电池的使用年限来表示电池的寿命。 8．放电速率(放电率) 一般用电池在放电时的时间或放电电流与额定电流的比例来表示。 （1）放电时率：电池以某种电流强度放电直到电池的电压降低到终止电压时，所经过的放电时间。 （2）放电倍率：电池的放电电流值与电池额定容量数值的比值。比如电池额定容量C=6.5A·h，若以6.5A放电电流放电，放电倍率为1C，放电电流为1C；若以3.25A放电电流放电，放电倍率为0.5，放电电流为0.5C。 9．自放电率 自放电率指电池在存放时间内，在没有负荷的条件下自身放电，使得电池容量损失的速度，自放电率用单位时间(月／年)内电池容量下降的百分数来表示。 10．成本 电池的成本是与电池的技术含量、材料、制作方法和生产规模有关，目前新开发的高比能量的电池成本较高，使得电动汽车的造价也较高，开发和研制高效、低成本的电池是电动汽车发展的关键。 6.1 储能装置的性能指标 9 6.1.3 电动汽车对蓄电池的基本要求 一般混合动力汽车电池。要求有较大的比能量，而混合动力汽车所采用的动力电池组，则要求有较大的比功率，两种电池在性能方面各有侧重，混合动力汽车对蓄电池的基本要求如下： 1．比能量大 比能量是保证混合动力汽车能够达到基本合理的行驶里程的重要性能，连续2h放电率的比能量至少不低于44W·h／kg。 2．充电时间短 蓄电池对充电技术没有特殊要求，能够实现感应充电。蓄电池的正常充电时间应小于6h，蓄电池能够适应快速充电的要求，蓄电池快速充电达到额定容量的50％时的时间为20min左右。 3．连续放电率高 蓄电池能够适应快速放电的要求，连续1h放电率可以达到额定容量的70％左右。 4.自放电率低 自放电率要低，蓄电池能够长期存放。 6.1 储能装置的性能指标 10 6.1.3 电动汽车对蓄电池的基本要求 5．不需要复杂的运行环境 蓄电池能够在常温条件下正常稳定地工作，不受环境温度的影响，不需要特殊加热。保温热管理系统，能够适应混合动力汽车行驶时振动的要求。 6．安全可靠 蓄电池应干燥、洁净，电解质不会渗漏腐蚀接线柱和外壳。不会引起自燃或燃烧，在发生碰撞等事故时，不会对乘员造成伤害。废蓄电池能够进行回收处理和再生处理，蓄电池中有害重金属能够进行集中回收处理。电池组可以采用机械装置进行整体快速更换，线路连接方便。 7．其他 寿命长、免维修、制造成本低。蓄电池的循环寿命不低于1000次，在使用寿命限定期间内，不需要进行维护和修理。 6.1 储能装置的性能指标 11 6.1.4 可选电池 1. 铅酸蓄电池铅酸蓄电池具有技术成熟、成本低、可快速充电、比功率高、比能量低，潜力巨大。镍镉(Ni-Cd)蓄电池具有技术成熟、可实现快速充电、比功率高、成本高、比能量低、潜力大。但这两种电池不是电动汽车的最好选择。2. 镍氢(Ni-MH)电池镍氢(Ni-MH)电池具有比能量高、比功率高、可实现快速充电、成本高、潜力巨大的特点。锂聚合物(Li-Ion)电池非常高的比能量、非常高的比功率、成本高、潜力巨大，但低温性能差，要适当处理这个问题。这两种电池目前是电动汽车的最好选择。3. 其他未来可能使用电池镍锌（Ni-Zn)具有比能量高、比功率高、成本低、循环寿命短、潜力大。锌空气(Zn/Air)电池具有机械式充电、成本低廉、非常高的比能量、比功率低、不能接受再生能量、潜力巨大。铝空气(Al/Air)电池具有机械式充电、成本低、非常高的比能量、非常低的比功率、不能接受再生能量、潜力低。钠硫(Na/S)电池具有比能量高、比功率高成本高、安全问题、需要热量管理、潜力一般。钠、氯化镍(Na/NiCl2)电池具有比能量高、成本高、需要热管理系统、潜力大。 6.1 储能装置的性能指标 12 6.2 铅酸蓄电池 6.2.1 铅酸蓄电池的特点 以酸性水溶液为电解质的蓄电池称为酸蓄电池。由于铅酸蓄电池电极是以铅及其氧化物为材料，故又称为铅酸蓄电池。铅酸蓄电池理论比能量175.5 W·h／kg，实际比能量35W·h／kg，能量密度80 W·h／L。铅酸蓄电池的特点是开路电压高，放电电压平稳，充电效率高，能够在常温下正常工作，生产技术成熟，价格便宜，规格齐全。 13 6.2.2 铅酸蓄电池的种类 铅酸蓄电池在汽车上有两种，一种是启动铅酸蓄电池，另一种是动力铅酸蓄电池。 1.启动铅酸蓄电池特点 汽车的启动铅酸蓄电池最大的特点是允许短时大电流放电。启动铅酸蓄电池主要应用于发动机启动机的起动供电。 2.动力铅酸蓄电池特点 有高的比能量和比功率，高的循环次数和使用寿命，以及快速充电等性能，是电动汽车采用的蓄电池。 6.2 铅酸蓄电池 14 6.2.3 铅酸蓄电池构造 图6-2 启动铅酸蓄电池构造 6.2 铅酸蓄电池 15 6.2.4 铅酸蓄电池原理 2.动力铅酸蓄电池原理 1.启动铅酸蓄电池原理 6.2 铅酸蓄电池 16 6.3 镍氢电池 6.3.1 镍氢电池的技术参数 镍氢电池(Ni-MH)是一种碱性电池，单体电池电压1.2V，3h比能量75～80W·h/kg，比功率160～230W/kg，能量密度达到200W·h／L，功率密度400～600W/L。 17 6.3.2镍氢电池的构造 图6-4 镍氢电池在碱性电解液中进行反应的模型 6.3 镍氢电池 18 6.3.3镍氢电池的工作原理 镍氢电池的负极的关键技术是储氢合金，要求储氢合金能够稳定地经受反复的储气和放气的循环。储氢合金是一种允许氢原子进入或分离的多金属合金的晶格基块，用钛-钒-锆-镍-铬(Ti-V-Co-Ni-Cr)五种基本元素，并与钴、锰等金属元素烧结的合金，经过加氢、粉碎、成形和烧结成负极板。储氢合金的种类和性能，对镍氢电池的性能有直接的影响。负极在充电或放电过程中既不溶解，也不再结晶，电极不会有结构性的变化，在保持自身化学功能的同时，还保证本身的机械坚固性。储氢合金一般需要进行热处理和表面处理，以增加储氢合金的防腐性能，这有利于提高镍氢电池的比能量、比功率和使用寿命。 电解质是水溶性氢氧化钾（KOH）和氢氧化锂（LiOH）的混合物。当电池充电过程中，水在电解质溶液中分解为氢离子和氢氧离子，氢离子被负极吸收，负极从金属转化为金属氢化物。在放电过程中，氢离子离开了负极，氢氧离子离开了正极，氢离子和氢氧离子在电解质氢氧化钾中结合成水并释放电能。 6.3 镍氢电池 19 6.3.4镍氢电池的充放电特性 1.放电特性镍氢电池(6个单体电池组件)放电时，2C的功率输出时的质量比功率可达到600W/kg以上，3C的功率输出时的质量比功率可达到500W/kg以上，深度范围内质量比功率的变化比较平稳，对混合动力汽车的动力性能的控制十分有利，电池的寿命可以达到10万km以上。2.充电特性镍氢电池的充电接受性很好，充电效率几乎达到100％，能够有效地接受混合动力汽车在制动时反馈的电能。另外，由于能量损耗较小，镍氢电池的发热量被抑制在最小的极限范围内，可以有效地控制剩余电量，并用电流来显示电池的剩余电量。 6.3 镍氢电池 20 6.3.5镍氢电池的优缺点 1.优点(1)充电18min可恢复40％～80％的容量，过充电和过放电性能好；(2)应急补充充电性能好，1h内可以完全充满，应急补充充电的时间短；(3)在80％的放电深度下，循环寿命可达到1000次以上，是铅酸蓄电池的3倍；(4)一次充电后行驶里程长，而且启动加速性能较好；(5)可以在环境温度-28～80℃条件下正常工作；(6)循环寿命可达到6000次或7年；(7)采用全封闭外壳，可以在真空环境中正常工作；(8)低温性能较好，能够长时间存放；(9)镍氢电池中没有铅（Pb）和镉（Cd）等重金属元素，不会对环境造成污染；（10）镍氢电池以随充随放，不会出现镍镉在没有放完电后即充电而产生的“记忆效应”。 6.3 镍氢电池 21 6.3.5镍氢电池的优缺点 2.缺点(1)在高温条件下使用时电荷量急剧下降；(2)自放电损耗较大；(3)价格较贵，镍氢电池的成本很高，达600～800美元/kW·h，不同的储氢合金具有不同的储存氢的能力，价格也不相同；（4）镍氢电池的比功率和放电能力不及镍镉电池；（5）镍氢电池在使用时还应充分注意各个单体电池之间的一致性，特别是在高速率、深放电情况下，各个单体电池之间的容量和电压差较明显。注重对电池组在充、放电过程中的导热管理和电池安全装置的设计。 6.3 镍氢电池 22 6.3.6镍氢电池的应用 图6-5本田Insight镍氢电池组 6.3 镍氢电池 23 图6-6普锐斯镍氢电池组 6.3 镍氢电池 24 图6-7 普锐斯6个1.2伏电池结构 6.3 镍氢电池 25 6.4锂离子电池 6.4.1简介 锂离子电池具有极高的性能优势，是动力蓄电池发展方向。相对传统的铅酸以及镍氢和镉镍电池而言，锂离子电池的历史很短。 26 6.4.2磷酸铁锂锂离子电池 1997年美国人发现磷酸铁锂(LiFePO4)模型，发现磷酸铁锂(LiFePO4)是适合做动力电池正极的一种材料，磷酸铁锂(LiFePO4)锂离子电池标称电压3.2V，满电压最高为3.6V，具有以下特点。（1）高效率输出 标准放电为2～5C、连续高电流放电可达10C，瞬间脉冲放电（10s）可达20C。（2）高温时性能良好外部温度65℃时内部温度则高达95℃，电池放电结束时温度可达160℃电池的结构安全、完好。（3）安全性好即使电池内部或外部受到伤害，电池不燃烧、不爆炸。（4）循环容量大 经500次循环，其放电容量仍大于95%。 6.4锂离子电池 27 6.4.4 工作原理 图6-8 磷酸铁锂(LiFePO4) 锂离子结构示意图（正极为磷酸铁锂材料） 6.4锂离子电池 28 6.4.3一元锂离子电池一元锂离子电池是指电池的正极材料主要是镍酸锂(LiNiO2)或钴酸锂(LiCoO2)或锰酸锂(LiMn2O4)三种物质之一的电池，一元是指其中的镍（Ni）、钴（Co）、锰（Mn）中的一种，突出的是钴酸锂(LiCoO2)电池。钴酸锂(LiCoO2)电池能量密度高，但成本高、安全性差，材料稳定性差，锂电池容易出现安全问题，如果单体容量过大，一旦产生爆炸将十分危险。另外，钴酸锂(LiCoO2)的主要原材料金属钴元素在我国储量极少，目前80%的金属钴（Co）元素基本靠进口，在我国难以大规模使用。钴酸锂(LiCoO2)电池主要被应用于3C领域（3C产品”，就是计算机(Computer)、通信(Communication)和消费类电子产品(Consumer Electronics)三者结合，亦称“信息家电”也称小家电）。如手机、笔记本电脑平板电池等。 6.4锂离子电池 29 6.4.4三元锂离子电池 以三元材料镍(Ni)、钴(Co)、锰(Mn)作为正极材料的锂离子电池可以看做是钴酸锂、锰酸锂和镍酸锂电池的混合升级，中和了三种电池在能量密度和安全性、循环性方面的优缺点，成为动力电池领域主流技术路线之一。 根据正极材料中镍钴锰三种金属比例不同，三元锂离子电池可以细分为NCM111、NCM532、NCM622、NCM811等。例如NCM532即为三元电池中镍、锰、钴的比例为5:3:2。 6.4锂离子电池 30 表6-1锂离子电池能量密度比较 锂离子电池技术路线 单体电池理论能量密度（W·h/kg) 磷酸铁锂(LiFePO4) 170 NCM532(镍：钴：锰=5：3：2） 200 NCM622(镍：钴：锰=6：2：2） 240 NCM811(镍：钴：锰=8：1：1） 280 NCA(镍：钴：铝=8：1.5：0.5） 300 6.4锂离子电池 31 三元锂离子电池优点如下：(1)普通单体电池工作电压高达3.6-3.7V，满电压为4.2V，电压是镍氢电池的3倍，是铅酸蓄电池的近2倍；(2)重量轻，比能量大，高达150W·h/kg，是镍氢电池的2倍，铅酸蓄电池的4倍，因此重量是相同能量的铅酸蓄电池的三分之一到四分之一；(3)体积小，高达到400W·h/L，体积是铅酸蓄电池的二分之一到三分之一；(4)提供了更合理的结构和更美观的外形的设计条件、设计空间和可能性；(5)循环寿命长，循环次数可达1000 次。以容量保持60%计，电池组100%充放电循环次数可以达到600 次以上，使用年限可达3-5 年，寿命约为铅酸蓄电池的2~3倍； (6)自放电率低，每月不到5%；(7)允许工作温度范围宽，低温性能好，锂离子电池可在-20～+55℃之间工作；(8)无记忆效应，所以每次充电前不必象镍镉电池、镍氢电池一样需要放电，可以随时随地的进行充电；（9）电池充放电深度，对电池的寿命影响不大，可以全充全放；(10)无污染，锂电池中不存在有毒物质，因此被称为“绿色电池”； 6.4锂离子电池 32 6.4.5 全固态锂离子电池 图6-9液态锂离子电池(左)，固态锂离子电池(右) 6.4锂离子电池 33 6.5 钠硫电池 6.5.1钠硫电池概述 钠硫电池（Sodium-Sulfur Battery）。钠硫电池是美国福特(Ford)公司于1967年首先发明公布的，钠硫电池经热反应后所产生的理论能量密度为786 W·h/kg ，实际能量密度为300 W·h/kg，具有比能量高、可大电流、高功率放电的特点。日本东京电力公司(TEPCO)和NGK公司合作开发钠硫电池作为储能电池，其应用目标瞄准电站负荷调平、UPS应急电源及瞬间补偿电源等，并于2002年开始进入商品化实施阶段，截止2007统计，日本年产钠硫电池电池量已超过100M·W，同时开始向海外输出。NGK公司迄今为止部署的一个规模最大的电池储能项目是在阿联酋阿布扎比部署的108MW/648MWh钠硫电池（NAS）储能项目。该公司表示，迄今（2021年）为止已经在全球各地部署4GWh以上的钠硫电池（NAS）储能系统。。 34 6.5.2钠硫电池的工作原理 图6-10 钠硫电池工作原理示意图 6.4锂离子电池 35 6.5.3钠硫电池的优缺点1.充电次数钠硫电池采用的材料特殊，所以能连续充电近两万次，也就是说相当于近60年的使用寿命， 且终生不用维修，不排放任何有害物质，也无二次污染公害， 这是别的电池无法达到的。2.充电时间钠硫电池是靠电子转移而再生能量，所以它充电时间相当短暂，一次充电可运行10―11小时；3.比能量高比能量约是铅酸蓄电池十倍，镍氢电池四倍，锂电池三倍。4.高功率钠硫电池可大电流、高功率放电。5.充放电效率钠硫电池的充放电效率几乎高达100％。但钠硫电池的不足之处是其工作温度在300℃～350℃，需要一定的加热保温。另外，过充电时很危险。 6.4锂离子电池 36 6.6 超级电容 6.6.1超级电容概述 传统电容为获得较大的电容量，必须增大面积或减少介质厚度，但这个伸缩空间有限，导致它的储电量和储能量较小。因此传统电容器的面积是导体的平板面积，为了获得较大的容量，导体材料卷制得很长，有时用特殊的组织结构来增加它的表面积。传统电容器是用绝缘材料分离它的两极板，一般为塑料薄膜、纸等尽可能的薄的材料。 超级电容器又叫黄金电容或法拉电容，它通过极化电解质来储能，属于双层电容的一种。超级电容一般使用活性碳电极材料，具有吸附面积大，静电储存多的特点，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，正因为如此，超级电容器可以反复充放电数十万次。目前已经研制出活性碳材料表面积可以达到2000m2/g，单位重量的电容量可达100F/g，并且电容的内阻还能保持在很低的水平；而且碳材料还具有成本低，技术成熟等优点，使得该类超级电容在汽车上应用最为广泛。 37 6.6.2超级电容的工作原理 超级电容电极采用多孔化电极采用活性炭粉、活性炭和活性炭纤维。电解液采用有机电解质。多孔性的活性碳有极大的表面积，在电解液中吸附着电荷，因而将具有极大的电容量，并可以存储很大的静电能量。双电层超级电容器的充放电过程始终是物理过程，没有化学反应。因此性能是稳定的，与利用化学反应的蓄电池是不同的。 6.6 超级电容 38 6.6.3超级电容的电极类型 1．碳电极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2000 m2/g，通过一些措施还可以实现更大的表面积。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。在电动汽车上广泛使用的主要是碳电极超级电容。2．金属氧化物电极由于金属氧化物（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。3．有机聚合物电极有机聚合物技术尚未成熟。 6.6 超级电容 39 6.6.4 超级电容的应用 1．超级电容和蓄电池并联 超级电容的快充快放特点使其十分适合为公交车提供动力。在汽车急加速时，蓄电池急需电容补充能量，这时需要通过控制电路对电容能量进行升压输出到驱动电机变频器正、负输入端，为电机提供能量。2．电启动系统超级电容的串联等效电阻非常小，非常适合做启动电源。 3．汽车部件的辅助能源除了用于动力驱动系统外，超级电容在汽车零部件领域也有广泛的应用。 6.6 超级电容 40 6.6.5超级电容器产业 图6-11 MAXWELL公司超级电容 6.6 超级电容 41 6.7 飞轮电池 6.7.1 飞轮电池概述 在本章介绍的储能装置中，化学蓄电池仍然是最主要的储能装置。燃料电池近几年也发展很快，是电动汽车中新型储能装置的主要代表。飞轮装置发展已经比较成熟，由于其远大于化学电池的比功率和比能量，成为目前许多科研工作者的研究重点。美国飞轮系统公司（AFS）已经生产出了以克莱斯勒LHS 轿车为原形的飞轮电池轿车AFS20，这是一种完全由飞轮电池供电的电动汽车。它由20节飞轮电池驱动，每节电池直径230mm，质量为13.64kg，电池用市电充电需要6小时，而快速充电只需要15min，一次充电行驶路程可达560km。从0加速到96km/h，只需要6.5秒 其寿命超过321万km。 42 6.7.2基本工作原理 6.7 飞轮电池 43 图6-13飞轮电池组成 6.7 飞轮电池 44 6.7.3 飞轮电池的性能 飞轮电池充电快，放电完全，非常适合应用于混合能量推动的车辆中。车辆在正常行驶和刹车制动时给飞轮电池充电。飞轮电池则在加速或爬坡时，给车辆提供动力，保证车辆运行在一种平稳、最优状态下的转速，可减少燃料消耗、空气和噪声污染、并可以减少发动机的维护，延长发动机的寿命。飞轮电池比能量比镍氢电池大2~3倍；飞轮电池比功率高于一般化学蓄电池和内燃机 ，其快速充电可在18分钟内完成且能量储存时间长。另外，飞轮电池能进行超快速充电，且无化学电池的缩短使用寿命问题，整个电池的使用寿命远长于各种化学蓄电池。最后飞轮为纯机械结构，不会像内燃机产生排气污染，同时也没有化学蓄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。 6.7 飞轮电池 45 6.7.4 飞轮电池的核心技术 飞轮储能装置主要包括飞轮、电机和电力电子装置三个核心器件。飞轮储能方法一直未能得到广泛的应用主要由于三点原因：（1）飞轮本身的能耗主要来自轴承摩擦和空气阻力；（2）常规的飞轮是由钢（或铸铁）制成的，储能有限；（3）要完成电能机械能的转换，还需要一套复杂的电力电子装置。目前，飞轮储能技术取得突破性进展是基于下述三项技术的飞速发展：（1）高能永磁及高温超导承轴技术的发展；（2）高强纤维复合材料技术的发展；（3）电力电子技术技术的发展。 6.7 飞轮电池 46 6.7.5 飞轮电池的轴承技术 轴承技术是储能飞轮研究的关键技术。由于储能飞轮的质量、转动惯量相对较大， 转速很高， 其陀螺效应十分明显，并存在过临界问题，因此对支承轴承提出了较高的要求。机械轴承主要有滚动轴承、滑动轴承、陶瓷轴承和挤压油膜阻尼轴承等， 其中滚动轴承和滑动轴承常用作飞轮系统的保护轴承， 陶瓷轴承和挤压油膜阻尼轴承在特定的飞轮系统中获得应用。 飞轮的先进支承方式主要有超导磁悬浮、永磁悬浮、电磁悬浮。 6.7 飞轮电池 47 6.7.6 飞轮电池的应用 图6-14 911 GT3 R Hybrid油电混合动力车驾驶室 6.7 飞轮电池 48 图6-15 座椅下部的飞轮电池总成 6.7 飞轮电池 49 6.8储能装置的复合结构形式 6.8.1蓄电池单独作为能源 图6-16 仅蓄电池作为能量源 50 6.8.2能量型电池+功率型电池 图6-17 高能量蓄电池+ 高功率蓄电池作为能量源 6.8储能装置的复合结构形式 51 6.8.3蓄电池+ 氢气燃料电池 图6-18 蓄电池+ 氢气燃料电池发动机作为能量源 6.8储能装置的复合结构形式 52 6.8.4蓄电池+ 带重整器的燃料电池发动机 图6-19蓄电池+ 带重整器的燃料电池发动机作为能源 6.8储能装置的复合结构形式 53 6.8.5蓄电池+ 超级电容器 图6-20 蓄电池+ 超级电容器作为能量源 6.8储能装置的复合结构形式 54 6.8.6蓄电池+飞轮电池 图6-21 蓄电池+超高速飞轮作为能量源 6.8储能装置的复合结构形式 55 6.9电池管理系统 电池管理系统（Battery Management System，BMS）在生产和售后服务资料中多称为电池控制单元（Battery Control Unit，BCU）。 56 6.9.1 电池管理的必要性1.电池过热汽车动力电池要采用大容量的单体锂电池，而大容量电池更容易产生过热。单体电池有一定的温度耐受范围，在实际应用中如果体积过大，会产生局部的过热，从而影响电池的安全和性能。因此，单体电池的大小要受到限制，动力和储能电池不可能采用超大的单体锂电池。 2.电池的性能不完全一致基于现有的正极材料和电池制造水平，单体电池之间尚不能达到性能的完全一致，在通过串、并联方式组成大功率大容量动力电池组后，苛刻的使用条件也易诱发局部偏差，从而引发性能不一致，引发安全问题。 6.9电池管理系统 57 6.9.3 电池成组问题 电池成组后主要的问题有以下几个方面。 1．过充/过放 串联的电池组在充电/放电时，由于充/放电时化学反应不一致，部分电池可能先于其他电池充满/放完。继续充电/放电就会造成过充/过放，锂电池的内部副反应将导致电池容量下降、热失控或者内部短路等问题。 2．过大电流 并联、老化、低温等情况，均会导致部分电池的电流超过其承受能力，降低电池的寿命。 3．温度过高 局部温度过高，会使电池的各项性能下降，最终导致内部短路和热失控，产生安全问题。 4．短路或者漏电因为震动、湿热、灰尘等因素造成电池短路或漏电，威胁驾乘人员的人身安全。 6.9电池管理系统 58 6.9.4 电池管理系统功能BMS的功能是要避免电池成组后出现的问题，因此需要动态监测动力电池组的工作状态，为此要利用电池电压、电流和温度进行管理。 1．输入信号（1）电压利用成组或每块电池的端电压进行电池一致性计算、总电压计算，采集成组后的电池是降低成本和提高可靠性的一种实用方式。（2）温度利用温度传感器对每个电池的温度进行直接监测是不现实的，实用的汽车制造商采用的方法是监测电池箱内的温度，作为温度控制的依据。（3）电流利用电流信号估算出各电池的荷电状态(State Of Charge，SOC)；利用电流和电压共同推断电池的健康状态(State Of Health，SOH)和电化学状态(State Of Electroformation，SOE)。（4）绝缘电阻利用漏电保护器监测电池的正极对车身、负极对车身、甚至正极对负极的绝缘电阻。（5）高压继电器触点监测利用高压上电继电器触点两端的电压监测，实现高压继电器触点粘连监测。 6.9电池管理系统 59 2．输出控制 （1）有故障电池监测 能够及时给出电池状况，找出故障电池所在箱号和箱内位号，挑选出有问题的电池，保持整组电池运行的可靠性和高效性。 （2）电池温度管理 电池温度管理根据电池箱内的电池温度控制冷却执行器，执行器分为加热功能和冷却功能。 （3）SOC仪表将估算的剩余电量显示出来或换算成可行驶里程，同时，还需要有自动报警和故障诊断功能，方便驾驶人员操作和处理。 （4）充电机控制电池管理系统通过总线将电池管理系统计算出来的适合充电电压、电流发给充电机，通过控制充电机，防止电池产生过充电或过放电现象。 6.9电池管理系统 60 6.10 丰田普锐斯电池管理系统 6.10.1 系统主要部件 61 6.10.2 镍氢电池管理电路图 6.10 丰田普锐斯电池管理系统 62 6.11 电池管理系统技术 蓄电池管理系统主要执行以下工作：电压、电流与温度测量；计算电池SOC；计算电池放电深度DOD；计算最大允许放电电流；计算最大允许充电电流；预测蓄电池寿命指数和SOH；故障诊断。 63 6.11.1 SOC的估算方法 1．安时法(电流积分)安时法是目前唯一可以精确计算电池组SOC的方法，要求标定SOC初始值，需要精确计算充电效率或放电倍率，需要以恒电流对电池组进行充放电，必须将电池组彻底放电，存在累计误差。2．开路电压法OCV开路电压法是电池在充分静置之后测得的开路电压值，计算SOC，正相关性容易受温度、静止时间等因素的影响；电压处于平台上，SOC估算易造成较大误差3．直流内阻法直流内阻法是直流内阻在SOC的处于50％以下时，呈负相关性，当SOC处于50％至80％之间时不适用；直流内阻很小，准确测量困难；受其他很多非线性因素的影响；电池电解液有效质量法适合铅酸蓄电池，不适合镍氢和锂电池；其他方法还有零负载电压法、放电法、在线辨识电池的准确模型、电化学分析法、线性模型法 6.11 电池管理系统技术 64 6.11.5 电池均衡技术 1．分流法（旁路法）在充电时，当某一电池的充电电压超过设定值时，通过并联在该电池的电阻分流该电池的一部分电流，从而达到降低该电池充电电压的目的。这种方案，结构复杂，体积大，分流时发热量大，通用性差。此种分流方法，未必非要在电池过压后才开始分流，可以在电压比平均电压高时就开始分流平衡。2．切断法在充电时，当某一电池的充电电压超过设定值时，通过自动控制开关切断该电池的电路，同时闭合旁路开关，电流绕过这块电池，继续向下一块电池充电。切断法开关个数是电池数目的2倍。切断法需要充电器配合，要求充电器够动态适应1个电芯到全部电芯充电的能力，且在切换电池后要能够动态的调整充电电压，充电电流，实现恒流，恒压充电以及浮充等，对充电器的要求比较高。3．并联法就是把电池按先并后串的连接方式使用。这也是一些电池生产厂家和电池的使用者，企图利用一些小容量电池组成大容量、高电压电池组所采用的方法。电池并联后，无法测量各单体电池的电压，因而就无法实施对电池组中各单体电池的监控。可见，用并联法是无法实现电池组电池的均衡效果的。 6.11 电池管理系统技术 65 $$