储能电池种类介绍4

3.4 电存储系统（EeSS）

EeSSs迪与ESS存在差异，主要在于他们的的存储技术。通常，一个EESS以电的形式在隔离的电场或者电流形成的磁场中直接存储电能。超级电容（UC）和超导体都属于EeSS。

3.4.1 超级电容器（UCs）

就结构和功能而言，UC与普通电容器类似。然而，UC可以具有高容量，其值为千法拉[3,33]，被称为超级电容器。UC的比功率约1000 - 2000W/kg，能量效率95% [3,14,46,108 - 111] 。在所有ESS中，UC拥有最长寿命，近40年。由于UC具有高功率存储功能，在电动汽车中被用于满足大功率需求; 它不需要维护，而且温度不敏感，操作时间长[3,14,111]。用于快速充电和放电，在电动制动能量回收过程中，UCs被用作能量存储器，并且为急速加速需要的能量来源[63,108-111]。

UC分为三类，即电双层电容器（EDLC），赝电容器和混合电容器[3,14,64]。EDLC具有比其他的电容器更高的功率密度，但它比能量低， 5-7Wh /kg，高的自放电率，且成本高[3,63,64] 。由于这些原因，UCS一般都是与电池、FCS或者其他储能形式联合应用，这样就可以获得一个功率密度高，能量密度高，使用寿命长的储能系统 [63,65,108 - 114] 。图16示出了单个UC单体结构[115]。UC使用高介电常数的介电材料，多孔活性碳表面电极，有机或含水电解质和薄的多孔隔膜[14,33,63]。有机UCs比UCs具有更高的能量密度和端电压[63]。有机UCs通常用于驱动电动汽车[14]。如图16所示，离子通过UCs中的电解质在电极之间传播。

存储在电容器中的能量与其电容成正比，并与电极两端的电压成正比，随着电极表面积和电介质材料介电常数的增加，电极间距离的减小，容量增加，并且随着电极，数值关系如方程 （13）所示[14,15,33,58]。

其中WC 是静电能量，C是UC的电容值，V是电极两端的电压，Q是电荷，ε是介电材料的介电常数，A是电极的表面积，d是电极。

图16.EDLC电池结构[115]。

图17. SMES系统结构[53,95]。

UC可以是对称或不对称的配置，使得它们或者具有相同电极材料或者材料不同。铅碳电容器是不对称UC的很好例子[116]。碳纳米管UC技术具有100kW/kg的高功率密度和60 Wh/kg的较高能量密度[64] 。目前正在研究利用纳米结构材料开发UC [69,117]。由于较高的功率和能量密度，赝电容器和混合电容器在能量存储应用中表现出较好的性能[64] 。最近，锂离子电容器（LIC）已经被开发出来，它具有比其他UCs 更高的端电压和能量密度[56,118,119] 。LIC以与UC相同的高功率密度运行。目前市场上用于电动汽车的锂离子电容器功率为80Wh/kg，可部分替代锂离子电池[56,119]。

3.4.2 超导磁ESS

超导磁能量存储系统，以磁场的形式存储能量。SMES系统具有高的能量存储效率，约97％，完全放电能力，100000次循环寿命，和毫秒的快速响应[45,53,69,86] 。然而，最初的成本高，典型的超导磁储能系统可以达到205-340 $/kW，虽然成本比EDLC低[53,69] 。一般SMES的功率范围在kW到MW，而研发的重点是如何控制SMES系统。SMES 的结构如图17所示[53,95]。能量被存储在一个超导电磁线圈，线圈浸泡在液体氦（或由铌-钛合金的液态氦）中，温度2-4 K [53,111,120,121] 。然而，SMES需要一个制冷系统来维持低温，并且需要一个DC/AC电源变流器[46,51,86] 。超导材料正在开发一种更便宜的冷却剂，如液氮。可以在低温和高温之间形成混合SMES系统，用于更高容量的超导存储系统 [120,121]。通常，SMES用于UPS，改善电能质量和电网系统[51]，也被引入混合动力电动汽系统中。存储于SMES系统能量的多少，直接取决于线圈的自感和流过线圈的电流的平方，如公式（14）所示[53]。

其中WL是存储在电感线圈中的能量，L是自感，I是通过线圈的电流。

3.5 热储存系统（TSS）

TSS以热的形式存储能量，从太阳能或电加热器产生的热量保存在绝热容器中，用于后续发电厂发电或者其他加热用途[30,33] 。热能储存以各种方式实现，例如潜热储存，热敏材料和热化学吸附储存系统[30,122,123]。潜热储存系统使用有机（例如，石蜡）和无机（例如水合盐）和相变材料（PCM）作为存储介质以允许在存储介质的相变期间进行热交换[30]。熔盐是固液相变的最新PCM材料，用于集中式太阳能发电厂[30,124]。潜热存储系统具有高能量密度和常温下的高传热效率[30,123] 。热敏材料蓄热系统是常见的，技术范围广，介质类型包括固体（如地面，铸铁或混凝土）或液体（如水或热油）的存储介质[30]。在这些系统中，热存储取决于在存储介质中的温度变化，容量取决于介质的比热和质量[30]，如等式（15）所示[111]。热化学吸附储存系统设计复杂且昂贵，给定了材料中吸热和吸收热量的过程。但是，这种系统的能量密度比水的存储系统的能量密度高三倍[30]。在EV上，自动热电发电系统，将废热转换成电能，可以从总体上优化系统效率，降低燃料成本[3] 。

其中Et 是储存在V体积中的热能，K是热系数，T1 和T2 分别是温升前后的温度。

3.6 混合存储系统

考虑ESS应用于电动汽车和其他储能场景，这取决于系统要求ESS对系统发挥多大的作用和需要怎样的效率。单独而言，所有ESS都无法提供所有功能，如能量密度，功率密度，放电倍率，循环寿命和成本[3,14,56,58,125-136]。因此，ESS需要通过组合具有互补特性的两个或更多ESS来优化能量存储和传递的特征的需求，从而确保ESS的最佳性能。

混合ESS（HSS）已经开发出来，它们将两个或更多ESS的输出功率与互补特征进行结合[3,14,15,33,35,58,125-136]。在HSS系统中，高功率密度和ESS高能量密度ESS，或快响应ESS和慢响应ESS，或高的成本和低成本ESS的组合是由功率电子系统进行调配，为负载提供最适当的动力[14,15,33,58,125-136]。HSSS可以分类为：电池和电池混合动力汽车，电池和超级电容器混合动力汽车，FC和电池混合动力汽车，电池和SMES混合动力，以及电池和FL飞轮混合动力汽车，CAES（压缩空气储能）和电池混合动力汽车，FC和UC混合动力汽车，FC和超高速飞轮混合动力汽车，CAES和UC混合动力汽车，是近距离和远距离组合的HSSS系统[3,14,15,33,56,58,125-136]。Zn-Air和VRLA，Zn-Air和NiMH，锌-空气和锂离子，FC和VRLA，FC和NiMH和FC和锂离子混合动力，是高低功率的组合。VRLA和UC，NiMH和UC，锂离子和UC混合动力车是低功率和高功率需求的组合。FC和UC，FC和UHSF，CAES和UC混合用于长期应用；其他的组合形式也有被应用，锂离子和UHSF/SMES，CAES和VRLA [14,56,125 - 136]。

混合ESS能吸收高频UC和低频电池性能波动，获得优化的高功率和高比能量[14] 。FC和电池混合，比单独分别使用表现出更高的功率特性和效率。FC和UC混合动力汽车对于EV应用具有吸引力，因为它们具有一般低功率，瞬态高功率的能力[14,56]。建立混合动力ESS，将功率电子用于EV，应用程序接口的结构如图18 [3,35,56,58,125-136] 。在图18（a）中，2种能源的ESS，例如电池和UCS，处于被动结构，拥有相同的端电压，这是一个简单高效的结构[3,126 - 130] 。图18（b），（c）（1）和（c）（2）示出了放置在两个ESS之间的双向DC-DC转换器，两个ESS之后的两个双向转换器以及三个ESS之后的三个双向转换器。在（b）（2）中，固定的DCDC链路结构体中的逆变器，比（b）（1）链路中的效率高得多，因为（b）（1）中需要逆变器去维持UC的端电压[3,124 - 129]。

图18. HSS的结构：a）两个并联的ESS（无源），b）一个串联的双向DC-DC转换器; c）两个串联的双向DC-DC转换器，d）两个并联的两个双向DC-DC转换器，以及e）多输入ZVS双向DC-DC转换器。

包含两个DCDC的18（C）（1），两个ESS有近似的端电压，其中一个DCDC转换器控制电池的输出电流；第二个DCDC调节来自UCS的负载所需要的功率[3,124 - 130]。结构18（c）（2）类似于18（c）（1），但其中一个ESS更多的考虑用于稳定的能量储存和供应。图18（d）示出了两个并联输入的去耦结构的双向的DC-DC转换器，该系统具有跟高的灵活性，稳定性，和高效率；提供了紧凑的HSS和冗余服务来解决单一电源的故障问题。然而，该结构降低了电池的寿命，因为大的输出电流给电源带来巨大压力[3,126-130] 。最近开发出来的，使用分离的多输入ZVS双向DC-DC转换器的结构，如图18（e）所示，其可以共享源之间的最佳功率，具有高的功率效率，高可靠，高耐用，但有一个庞大的结构[3,133-136]。

4 EV储能系统的特点

适用于电动汽车应用的ESS的选择主要取决于它们的特性，即容量，总输出功率，放电时间，DOD，自放电，循环寿命，充放电效率，尺寸和成本。ESS的容量定义为完全充电之后，系统中的存储可用能量的总量。依据自放电，DOD和响应时间方面的不同，ESS到ESS的容量利用率可能不同[46]。ESS中的可总能量限制了转换系统和负载参数，而 ESS只可以在其最大值下放电或再充电。ESS功率的输出和放电取决于系统响应和需求。功率特性可以体现为放电倍率，或者根据负载要求放出需求电量的总体时间 [46,58]。放电时间是存储在ESS中的能量的量与从该系统递送的最大能量的量的比率。自放电特性是指当ESS未运行或闲置时随时间流逝的能量损失量。

循环寿命是指ESS的耐久性，取决于ESS可以充电后提供能量的次数。循环寿命取决于构成ESS的材料和操作水平。效率指的是ESS从所存储的能量中输送的能量的量。ESS可能受到几个参数的限制，如自放电，循环寿命，材料特性，能量转换和工作温度。ESS的规模是EV应用ESS的关键特征。紧凑的尺寸对应于电池效率性能。高能量密度对应于小的质量和体积。成本与规模密切相关。而且，ESS的资本成本包括存储系统的设计，材料，包装，维护，损耗，寿命，因环境问题的经营成本的一部分[4- 8,46] 。

ESS的性能由它的基本特性参数决定。高能量密度，高功率密度和小尺寸能量存储应用是必不可少的ESS特征。此外，在制造和选择ESS作为EV动力过程中，需要确认的，零排放，可以忽略不计自放电，低的化学反应引起的材料腐蚀，长的耐久性，高效率，和低维护成本。ESS需要对爬坡过程作出快速反应，并在正常运行中保持稳定。为了这些目的，混合的ESS都提出了用于改进在EV应用中更好的ESS [125-136]。如今，R＆d工作主要集中在改进技术以及ESS先进技术的研发。

5 不同储能形式的整体比较

不同储能形式，在运行时间周期和适用规模上存在不同，比如液流电池比较适应大规模储能，抽水蓄能更是只有大型水电站的专项；而锂电池，在日用消费品，3C产品上做电源已经司空见惯。从周期和规模两个维度定位储能形式，见图19。以整体循环寿命和效率两个维度来评价储能形式，见图20。站在大规模系统应用的角度，考虑不同储能形式之间的成本对比，见图21。

图19 能量存储技术

图20. ESS在效率和循环寿命参数分布。

图21.用于大规模储能的ESS总资本成本[69]。

锂电池无疑是当前市场筛选出来的佼佼者，我们看一下锂电池在这三幅图中的位置，图19：功率性能偏低，放电周期居中；图20：效率中上，寿命偏低；图21：单位功率成本偏高，单位能量成本偏低。

把诸多储能形式放到一起，我们不难发现，单纯一种储能形式，想要一己之力满足多种应用场景的全部要求，是比较困难的。而随着系统技术的发展，尤其储能系统控制管理水平的提升，个人感觉，储能的远期形式很可能是混合储能，关键影响因素是复杂系统构建成本的降低，至少达到延长的储能介质寿命可以补偿系统成本的时候，混合储能的春天可能就会来了。

而电动汽车的储能系统，由于空间的有限，还受到另外一些因素的制约，最突出的一个就是用户对续航的焦虑感。这种焦虑使得生产者有强大的动力追求能量密度。目前，我们大多把给一辆车装载更多电量，当做解决续航焦虑的最主要途径。实际上，换一个角度，提高能量密度不一定是最快的途径，并且很容易出现天花板。反而充电桩的建设和快速充电技术的进步，可能领先一步解决这个问题。

参考文献

内容主要整理自： Review of energy storage systems for electric vehicle applications Issues and challenges，作者M.A. Hannana等人。