02 第二章 车用动力电池.pptx

第1页：第2章 车用动力电池

第2章 车用动力电池，本章内容包括：

• 概述
• 铅酸电池
• 镍氢电池
• 锂电池
• 其他电池
• 超级电容
• 飞轮储能装置

第2页：车辆运行的必要条件

车辆运行的必要条件：

• 携带一定量的能量（储能单元或装置）
• 能将其它能量转换成机械能（驱动装置）

油箱

燃油车

储气罐

气体燃料车

蓄电池

电动车辆

储氢装置

燃料电池汽车

超级电容

电动车辆，主要用于混合动力汽车

飞轮储能装置

电动车辆，主要用于混合动力汽车

第3页：蓄电池概述

第1节 概述。

蓄电池

能量储存装置，按电能→化学能→电能→化学能的可逆变换过程工作，能量转换受到“活性物质”的局限

可用于电动汽车的蓄电池有：

• 铅酸电池
• 镍氢电池
• 锂离子电池
• 镍镉电池
• 锌空气电池
• 钠硫电池

第4页：原电池原理回顾

原电池原理回顾：以锌片和铜片组成的原电池为例。

• 负极（锌片，氧化反应）：Zn－2e^- = Zn²⁺
• 正极（铜片，还原反应）：2H⁺ + 2e^- = H₂↑
• 总式：Zn + 2H⁺ = Zn²⁺ + H₂↑

原电池组成条件：

• 活泼性不同的两个电极（金属与金属或石墨或不溶性金属氧化物）
• 有电解质溶液且必须形成闭合回路
• 能自发地发生氧化还原反应

第5页：蓄电池的电压参数

一、蓄电池性能参数：1.电压（V）。

电动势

表示电源特征的物理量，指电源将其它形式能量转化为电能的本领，数值上等于非静电力将单位正电荷从负极经电源内部移送到正极所做的功

开路电压

电池在开路时的端电压；端电压指电源加在外电路两端的电压

工作电压（放电电压）

电池两端接上负载后在放电过程显示的电压，U=E－I·r

额定电压

电池在标准规定条件下工作时应达到的电压

截止电压

电池在规定条件下放电时不适宜再继续放电的最低工作电压

第6页：电池容量与放电率

2.电池容量（A·h）。

理论容量

假定活性物质全部参加成流反应，根据法拉第定律计算的电量

实际容量

充满电的电池在一定条件下放电能输出的电量，等于放电电流与放电时间的乘积

放电条件（放电率）表示方式：

• 时率：用放电时间表示放电速率，指一定放电电流到截止电压所需的小时数，称为i小时放电率；i小时率放电容量用C_i表示。启动电池用C₂₀，牵引电池用C₅，电动汽车电池用C₃表示
• 倍率：以放电电流表示放电速率，指实际电流为额定电流的倍数，如5C、20C、1/3C等

第7页：动力蓄电池额定容量

额定容量：在规定的放电条件下应该输出的电量，是验收电池质量的重要标准。我国用3小时放电率（C₃）定义动力蓄电池的额定容量。

第8页：比能量与比功率

3.能量与功率。

比能量（Wh/kg）

单位质量蓄电池所能输出的能量，影响电动汽车的续驶里程

能量密度（Wh/L）

单位体积蓄电池所具有的能量

比功率（W/kg）

单位质量蓄电池输出能量的速度，影响电动汽车的加速性能和爬坡性能

功率密度（W/L）

单位体积蓄电池输出能量的速度

表示蓄电池的比能量和能量密度时，一定要同时指出充/放电率。

第9页：充电状态与放电深度

4.充电状态（SOC）与5.放电深度（DOD）。

SOC

电池剩余容量占额定容量的比例，SOC = SOC₀ + 1/C∫I(t)dt，其中SOC₀为初始SOC，I为工作电流（充电为正、放电为负），C为额定容量

DOD

放出的电量与额定电量的比值，DOD = 1－SOC

循环使用寿命

电池充电和放电一次为一个循环，指容量降到规定值（我国规定为额定值的80%）前经历的充放电循环次数

第10页：纯电动汽车对电池的工作要求

二、车辆对动力电池性能的要求：1.纯电动汽车（EV）对电池的工作要求。

• 为保证续驶里程应携带足够容量电池组，要求电池具有大的比能量和能量密度
• 放电电流不宜过大，典型的连续放电不超过1C，典型峰值放电不超过3C
• 为尽可能回收制动能量，应能承受高达5C的脉冲电流充电
• 要求电池能实现深度放电，必要时能实现满负荷功率和全放电
• 具有长的使用寿命和较高的充放电效率，降低车辆使用和运行成本

第11页：混合动力汽车对电池的工作要求

2.混合动力汽车（HEV）对电池的工作要求：与EV相比对容量要求有所降低，但需要时提供更大的瞬时功率。

• 要求电池能提供大瞬时功率以减轻发动机负担并满足加速、爬坡的动力性要求，应选用大比功率电池
• 为满足动力性和回收制动能量要求，应能承受大电流充放电
• 要求有1000次以上深度放电循环和40万次以上浅度放电循环
• 为保证正常使用和延长寿命，SOC应保持在50%～85%范围内

HEV结构、工作模式复杂，串联HEV由发电机和电池共同向电机提供电能，电池SOC较高、要求与EV类似但容量更小；并联HEV电池容量可更小，但瞬时功率要求高，最大放电电流可能达20C以上。

第12页：USABC电动汽车蓄电池性能指标

USABC制定的电动汽车用蓄电池的中、长期性能指标：

第13页：铅酸电池的结构

第2节 铅酸电池：一、结构。

• 极板：由板栅和活性物质组成，正极板活性物质为二氧化铅（PbO₂，棕红色），负极板活性物质为海绵状纯铅（Pb，深灰色）
• 隔膜、电解液、外壳
• 按电池盖密封与否分为开口式和阀控式两种

第14页：铅酸电池隔膜与电解液

隔膜

在正负极板间起绝缘作用，防止短路并使结构紧凑；微孔使电解液中正负离子顺利通过；阻缓与隔离脱落的活性物质，防止极板因震动损伤。可由PVC、PE塑料、微孔橡胶或玻璃纤维棉制成，阀控铅酸电池多采用吸附式玻璃纤维棉（AGM）

电解液

用纯硫酸和蒸馏水按一定比例配制，比重一般在1.24～1.30g/cm³之间。胶体电解质铅酸电池仍用密度为1.28g/cm³的硫酸液，添加SiO₂作凝固剂形成乳白色胶体

第15页：铅酸电池电动势的建立

二、工作原理：电动势的建立。

• 正极板：PbO₂ → Pb⁴⁺，＋2.0V
• 负极板：Pb－2e → Pb²⁺，－0.1V
• 两极板之间的电动势为2.1V
• 一个极板组的电动势是2.1V，要得到12V电压需串联6个单体

第16页：铅酸电池放电化学反应

放电时的化学反应：

• 正极板：Pb⁴⁺+2e → Pb²⁺，Pb²⁺+SO₄^2- → PbSO₄，附在正极板上
• 负极板：Pb－2e → Pb²⁺，Pb²⁺+SO₄^2- → PbSO₄，附在负极板上
• 总方程式：PbO₂＋Pb＋2H₂SO₄ → 2PbSO₄＋2H₂O
• 电解液中H⁺与OH^-结合生成水，SO₄^2-减少，硫酸浓度降低

第17页：铅酸电池充电化学反应

充电时的化学反应：两电极表面PbSO₄的SO₄^2-不断回到电解质，电解液中硫酸的浓度和密度都增加。

第18页：铅酸电池充放电总方程式

充放电总方程式：PbO₂＋Pb＋2H₂SO₄ ↔ PbSO₄＋2H₂O＋PbSO₄（放电向右，充电向左；左端PbO₂为正极、Pb为负极，右端两个PbSO₄分别为正极和负极产物）。

第19页：铅酸电池放电特性

三、充放电特性：放电特性。

• 放电过程中端电压等状态参数随时间变化，分为开始放电、相对稳定和迅速下降三个阶段
• 放电终了特征：电压降到放电终止电压；电解液密度降到最小终止值

第20页：铅酸电池充电特性

充电特性：充电过程中蓄电池端电压等状态参数随时间变化的规律。

• 端电压和电解液密度上升到最大限值，在2小时内不再上升
• 电解液发生剧烈的电解水反应，生成大量气体

第21页：铅酸电池的优缺点

四、特点。

优点

技术成熟，原料易得，成本低；比功率较大，达200～300W/kg；使用温度范围大，可在－40～60℃环境下工作；适合于浮充电使用，无记忆效应

缺点

比能量低，只有30～45Wh/kg；质量重，限制了携带的电池数量；使用寿命不长，循环使用寿命不到500次

第22页：镍氢电池的结构

第3节 镍氢电池（Ni-MH）：一、结构。

镍氢电池由正极、负极、隔膜、电解液、电池钢壳以及顶盖、密封圈等附件组成，外形有圆柱形和方形两种。

• 1-正极接线柱；2-密封圈；3-正极板；4-隔膜；5-负极板；6-负极集电极；7-金属外壳

第23页：镍氢电池正负极与工作原理

二、正负极与工作原理。

正极

球状Ni(OH)₂粉末与添加剂（钴、镉、锌等金属）、粘合剂制成涂膏涂在正极板上；正极活性物质为Ni(OH)₂（氢氧化镍，充电时）与NiOOH（氢氧化氧镍，放电时）

负极

储氢合金，能反复吸收和释放出氢原子的合金晶格

第24页：镍氢电池负极与电解质

负极活性物质

H₂（放电时）和H₂O（充电时）

电解质

30% KOH溶液，加入少量的LiOH

第25页：镍氢电池正极主要材料

镍氢电池主要材料——正极：

球形氢氧化镍Ni(OH)₂

绿色球形粉末，粒径7～15μm；半导体，电子不导电，需要氧化亚钴导电

覆钴球镍

黑色粉末，包覆氧化亚钴导电，充电后形成黑色NiOOH

氧化亚钴CoO

灰褐色粉末易氧化，真空包装，粒径≤0.45μm，充电时形成CoOOH导电网络，过放后容易被破坏

发泡镍

99%Ni，金属灰色，多孔状，孔率≥95%，用于导电和支撑球镍的骨架

第26页：固态储氢原理

氢以原子形式储存于储氢合金晶格中，图中所示为LaNi₅中氢原子的位置。

第27页：储氢合金吸氢反应过程

• 氢分子与合金接触时吸附于合金表面，分解为氢原子并向内部扩散形成固溶体，固溶体饱和后过剩氢原子与固溶体反应生成氢化物
• 氢与金属或合金的反应是多相反应，由以下过程组成：氢分子传输、吸附氢的分解、表面迁移、吸附氢转化成吸收氢、氢在α相稀固态溶液中扩散、α相转变为β相、氢在氢化物中扩散

第28页：镍氢电池充放电反应式

充放电时的电化学反应：

• 放电负极：MH_x－e^-+OH^- → M＋H₂O；放电正极：NiOOH＋H₂O＋e^- → Ni(OH)₂+OH^-
• 放电总反应：MH_x + NiOOH → M + Ni(OH)₂
• 充电负极：M＋H₂O＋e^- → MH_x+OH^-；充电正极：Ni(OH)₂+OH^- → NiOOH＋H₂O＋e^-
• 充电总反应：M + Ni(OH)₂ → MH_x + NiOOH
• 充放电过程：负极发生H₂和H₂O间的可逆变换，正极发生Ni(OH)₂和NiOOH间的可逆变换

第29页：镍氢电池充电特性

三、镍氢电池充放电特性：充电特性。

充电电流越大（充电速度快），充电电压越高，但充电效率也越低。

第30页：镍氢电池放电特性

不同电流下的放电特性：放电电流越大，放电电压越低，放电时间越短，能放出的容量越小。

第31页：镍氢电池充电温度特性

温度特性（充电）：

• 温度越高，电池电压越低，能够充入的容量越小，即充电效率越低
• 在各种环境温度下，电池接近充电终了时电压升高，当充电容量达到额定容量时电压达到峰值；随后由于电池发热，电压又降低

第32页：镍氢电池放电温度特性

温度特性（放电）：

• 在－20℃～20℃范围内，温度越高放电电压越高，但温度过高（60℃）又会导致电压急剧降低
• 小电流放电时温度对放电容量影响不大；放电电流越大温度影响越明显，尤其在0℃以下低温放电时容量下降非常显著

第33页：镍氢电池自放电特性

自放电特性：自放电机制有：

• 正极活性物质Ni(OH)₂的成分自分解，产生的氧可能达到负极，减少正负极活性物质
• 储氢合金的氢从负极到达正极，与正极反应造成活性物质损失
• 正极存在氮化物杂质，引起亚硝酸盐和氨的氧化还原穿梭反应，使正极退化
• 电池内压的形成

镍氢电池自放电容量损失是可逆的，长期储存的电池经3～5次小电流充放电后可恢复容量。

第34页：镍氢电池的优缺点

四、优缺点。

优点

比能量达60～70Wh/kg，比功率达150～300W/kg；使用寿命较长，循环充放电达1000次；耐过充、过放电能力较强；绿色环保，无铅、镉等有害金属污染；使用温度范围宽，可在－23～55℃下正常工作

缺点

自放电损耗较大，月损失20%～40%；对温度敏感，温度对放电电压和容量影响较大；成本较高，为铅酸电池的5倍以上；单体电池电压较低，为1.2V

第35页：锂离子电池的工作原理

第四节 锂离子电池：锂是最轻的金属，暴露在空气中或遇水会发生燃烧。一、工作原理。

正极

LiMnO₂（锰酸锂）、LiNiO₂（镍酸锂）、LiCoO₂（钴酸锂）、LiFePO₄（磷酸铁锂）等锂化金属化合物，可以嵌入和脱出Li⁺

负极

天然石墨、人造石墨和层状石墨的锂碳化物Li_xC等

电解质

非水电解质——有机溶液（液态锂离子电池）或固体聚合物（聚合物锂离子电池）

第36页：锂离子电池充放电反应式

充放电过程电池反应：

• 充电正极：LiMO₂－xe^- → Li_1-xMO₂+xLi⁺；充电负极：C + xLi⁺ + xe^- → Li_xC
• 充电总反应：C + LiMO₂ ↔ Li_xC + Li_1-xMO₂
• 放电负极：Li_xC－xe^- → C + xLi⁺；放电正极：Li_1-xMO₂ + xLi⁺ + xe^- → LiMO₂
• 放电总反应：Li_xC + Li_1-xMO₂ ↔ C + LiMO₂
• 充放电过程中锂离子通过电解质游离于正负极之间：充电时由正极嵌入负极，放电时脱离负极回到正极

第37页：锂离子电池工作原理示意图

锂离子电池工作原理：图示为锂离子电池充放电时锂离子在正负极材料间嵌入与脱出、电子经外电路流动的过程。

第38页：锂离子电池正极材料要求

二、正极材料要求：

• 晶体结构有利于Li⁺的嵌入和脱出，结构牢固、稳定性好，使电极具有良好的可逆性
• 充放电过程中有大量Li⁺嵌入和脱出，使电极具有高的电化学容量
• 有较高的氧化还原电位，使电池具有较高的输出电压
• Li⁺在电极材料中有较大的扩散系数，减少极化造成的能量损耗
• 有较高的电导率，能使电池大电流充放电
• 氧化还原电位变化小，保证电池平稳充放电
• 不与电解质等发生化学反应，化学性质稳定
• 价格便宜，对环境无污染

第39页：过渡金属氧化物正极材料

过渡金属氧化物正极材料主要有：

• 层状结构：LiCoO₂、LiNiO₂、LiMnO₂
• 尖晶石型：LiMn₂O₄
• 橄榄石型：LiFePO₄
• 多元材料等

第40页：钴酸锂层状结构

LiCoO₂层状结构：

• 层状结构有利于Li⁺在由CoO₆八面体形成的二维空间进行可逆的嵌入和脱出
• 比能量高，工作电压较高（3.7V），充放电电压平稳，适合大电流充放电，容易制备
• Co资源有限，价格较贵，且对环境有污染
• Li⁺反复嵌入与脱出会造成结构在多次收缩膨胀后由三方晶系到单斜晶系的相变，导致粒间松动脱落、内阻增大、容量减小，循环性能不佳

第41页：锰酸锂尖晶石结构

LiMn₂O₄尖晶石结构：

• O原子构成面心立方紧密堆积（CCP），锂和锰分别占据四面体位置和八面体位置，四面体晶格和八面体晶格共面构成一系列互通的三维离子通道，适合Li⁺脱出和嵌入
• Mn₂O₄骨架极为稳定，对Li⁺和溶剂或其它体积较大的阳离子具有选择性，可避免有害的溶剂共嵌入效应
• 优点：Mn资源丰富，无毒无污染，价格便宜；安全性好，耐过充放电
• 缺点：理论容量偏低；材料在电解质中会缓慢溶解造成容量减少；较高温度下易发生晶格畸变，造成容量迅速衰减

第42页：磷酸铁锂橄榄石结构

LiFePO₄橄榄石结构：

• FeO₆八面体和PO₄四面体通过共角或共边连接成开放性的三维框架结构，相邻FeO₆八面体共用氧原子形成Z字形FeO₆层，层间构成Li⁺的连续直线链，使Li⁺可形成二维扩散运动
• 优点：三维框架结构稳定，充放电过程中结构、体积变化小，可逆性好，有利于提高循环寿命；热力学稳定性好，高低温下均有良好存储性能；价格低廉，无毒无污染
• 不足：电子和Li⁺的传导率低，只适合于小电流密度下充放电

第43页：锂离子电池负极材料要求

三、负极材料要求：

• 具有较低的氧化还原电位，接近金属锂的电位，使电池输出电压高
• Li⁺能够大量地在主体材料中可逆脱嵌，比容量值大
• 在Li⁺脱嵌过程中主体结构稳定、变化小，以获得好的循环性能
• 氧化还原电位随插锂数目的变化尽可能少，保持平稳的充放电
• 有较好的电子电导率和离子电导率，减少极化，利于大电流充放电
• Li⁺在材料中有较大的扩散系数，利于快速充放电
• 容易获得，成本不高，环保性好

第44页：石墨负极材料

负极材料主要有石墨。石墨由于具备电子电导率高、Li⁺扩散系数大、层状结构在嵌锂前后体积变化小、嵌锂容量高和嵌锂电位低等优点，目前是主流的商业化锂离子电池负极材料。

第45页：石墨晶体结构与嵌锂化合物

石墨属于六方晶系，晶体由碳原子组成的六角网状平面规则堆砌而成，具有层状结构；每一层内碳原子排成六边形，良好的层状结构十分适合Li⁺的反复嵌入与脱离。Li⁺嵌入石墨层间后形成嵌锂化合物Li_xC₆（0≤x≤1）。

第46页：锂离子电池电解质要求

四、电解质：锂离子电池对电解质的要求：

• 有较高的离子导电性
• 化学稳定性高，与电极材料、集流体、隔膜、粘接剂等基本不发生反应
• 热稳定性强，在较宽的电位范围内不发生分解反应
• 安全无污染，容易制备，成本低

第47页：液体电解质与聚合物电解质

锂离子电池电解质分为液体电解质和聚合物电解质。

液体电解质

由锂盐溶解于有机溶剂中制备而得，导电性好、与电极相容性好；存在渗漏、安全性差、需要坚固金属壳、电池尺寸缺乏灵活性、组装复杂等缺点

聚合物电解质

采用高分子材料为基体，使有机溶剂/锂盐存在于聚合物网络中；离子导电性强、力学性质好、易薄膜成形、柔软质轻、有弹性且不渗漏；除作为传递离子的电解质外，还可作为正负电极间隔膜使用

第48页：锂离子电池的性能特点

五、性能特点。

优点

单体电池额定电压达3.6～4V；比能量高达100～120Wh/kg，比功率高达250～400W/kg；循环寿命达1000次以上；无记忆效应，环保性好；自放电率小，月10%

缺点

大电流放电能力差，限制在2～3C；成本较高

第49页：三种电池性能对比表

镍镉、镍氢、锂离子电池性能的对比：

注：表中数据对应的充电速率均为1C。

第50页：锌空气电池的结构

第5节 其它电池：一、金属空气电池。以金属（常用锌、铝）为正极、空气为负极的一类电池。

• 锌为负极活性物质
• 空气中的氧气作为正极活性物质，多孔活性炭作为正极
• 氢氧化钾作为电解质
• 铂或其它材料为催化剂

第51页：锌空气电池反应式

• 负极：Zn + 2OH^- → ZnO + H₂O + 2e
• 正极：O₂ + 2H₂O + 4e → 4OH^-
• 总反应：Zn + O₂ → 2ZnO

第52页：锌空气电池补充能量方式

按照补充能量的方式分为直接充电式和机械更换式。

直接充电式

直接对电池的锌电极进行充电；存在电极易变形、枝晶生长、腐蚀、钝化现象并逐步失效，电解液在大气环境中易碳酸化且受空气湿度影响较大等问题

机械更换式

将用过的负极锌板取出换上新的锌电极，或将整个电池完全更换

第53页：锌空气电池的特点

锌空气电池特点：

• 比能量高，理论达1350Wh/kg，目前达180～230Wh/kg
• 适应性强，可在－20～80℃下正常工作，允许深度放电，电池组没有充放电不一致性问题
• 制造成本低，正极活性物质来源于空气，锌来源丰富，锌负极可回收利用
• 存储时间长，存储时可将电池密封使空气孔与外界隔离，容量损失极小
• 安全性和环保性好，废旧电池便于回收和再利用
• 比功率不高，能量释放速度慢，采用通常的充电方法时间长

第54页：钠硫电池的工作原理

二、钠硫电池（Na-S）：金属钠为负极活性物质，熔融的硫为正极活性物质，三氧化铝和少量氧化钠形成陶瓷固态电解质，需保持300～350℃高温才能发生化学反应。

• 放电：负极的Na在固态电解质界面氧化成Na⁺，Na⁺通过电解质迁移到正极与S反应生成Na₂S
• 充电：Na₂S分解，Na⁺迁移回负极并还原成Na，分解出的S保留在正极
• 负极：Na ↔ Na⁺ + e；正极：S + 2e ↔ S^2-；总反应：2Na + S ↔ Na₂S

第55页：钠硫电池的特点

钠硫电池特点：

• 比能量较高，理论值760Wh/kg，实际应用可到100Wh/kg
• 单体电池电压较高，在2.0V左右
• 使用性能好，可大电流放电，使用寿命长，无自放电现象
• 制造过程无污染，废旧电池易回收和再利用
• 工作时需将电池加热至300～350℃，硫融化后才能发生电化学反应，使用不便并带来一定安全问题

第56页：钠氯化镍ZEBRA电池

三、钠氯化镍电池（Na-NiCl₂）：在钠硫电池基础上发展起来的ZEBRA电池（Zero emission battery research activity）。

• 正极活性物质为Ni、NiCl₂，在工作温度（270～350℃）为固态，添加NaAlCl₄熔盐作为第二液态电解质便于Na⁺迁移
• 负极活性物质为液态金属钠，电解质为允许Na⁺通过的β″-Al₂O₃陶瓷固体电解质
• 负极：Na ↔ Na⁺ + e；正极：2Na⁺ + NiCl₂ + 2e ↔ 2NaCl + Ni
• 总反应：2Na + NiCl₂ ↔ 2NaCl + Ni

第57页：ZEBRA电池的特点

ZEBRA电池特点：

• 比能量较高（理论值790Wh/kg，实际可达100Wh/kg）、比功率较高，达150W/kg
• 单体电池电压高，达2.5V
• 使用性能好，无自放电，容量与放电率无关，可快速充电（30分钟充入50%容量），循环寿命达1000次，全密封免维护
• 电池抗腐蚀能力强，将腐蚀性较强的正极活性物质置于β″-Al₂O₃陶瓷管内
• 相对钠硫电池安全性得到提高，组成材料无低沸点、高蒸汽压物质
• 采用β″-Al₂O₃固体电解质决定其需保持在300℃左右工作温度，启动需要一定时间，限制了应用范围

第58页：USABC蓄电池指标数据

接前页USABC制定的电动汽车用蓄电池中、长期性能指标，表中给出的目标值包括200、300、400、1000以及小于100等。

本页源文件仅保留图表中的残余数值，指标名称与数值的对应关系缺失，建议对照原图补充。

第59页：超级电容的使用背景

第6节 超级电容：一、使用背景。

• 汽车匀速行驶时所需平均功率低，而加速和爬坡时峰值功率相当高，可达平均功率的16倍
• 对于电动汽车，蓄电池很难同时满足高比能量、高比功率和长寿命，续驶里程与加速爬坡性能存在矛盾
• 解决方案：采用两套能源系统，主能源提供长续驶里程，辅助能源在加速和爬坡时提供大的瞬时辅助功率
• 超级电容适合作辅助动力

第60页：超级电容与蓄电池性能对比表

二、超级电容的特点。

• 比功率相当高，可达1000W/kg以上
• 充放电线路简单，充电速度快，可迅速高效回收再生制动能量
• 使用寿命长，循环充放电寿命高达几十万次，是蓄电池的几百倍
• 比能量很低，通常不超过10Wh/kg，不太适合单独驱动车辆

第61页：双电层电容原理

三、原理：超级电容正式名称是电化学电容，是介于电介质电容与电化学电池之间的储能元件，储能机理分为双电层电容机理和法拉第准电容机理两种。

1.双电层电容：传统电容由两个电极及之间的电介质组成，电容值为C = ε·A / 3.6πd ·10^-6（μF），其中A为极板面积、d为介质厚度、ε为相对介电常数；所储存的能量为E = 1/2 C（ΔV）²，ΔV为极板间的电压降。

• 传统电容从平板状导电材料得到储存电荷面积，需将很长的材料缠绕才能获得大面积
• 传统电容用塑料薄膜、纸张或陶瓷等隔开电荷板，绝缘材料厚度不可能做得非常薄

第62页：双电层结构

双电层结构：相对的多孔电极之间充填电解液和绝缘层，两端加电压时相对的多孔电极上分别聚集正负电子，电解质溶液中的正负离子由于电场作用分别聚集到与正负极板相对的界面上，从而形成双电层结构，相当于两个电容器串联。由于界面存在位垒，两层电荷不能越过边界互相中和。

第63页：双电层电容容量大的原因

双电层电容具有大电容的原因：

• 活性炭电极材料具有≥1200m²/g的超高比表面积，可获得极大的电极面积A
• 双电层的厚度数量级为0.1nm，获得了极小的介质厚度d
• 双电层电容器比传统物理电容的容值大很多，提高百倍以上

第64页：法拉第准电容储能机理

2.法拉第准电容：

• 利用在电极表面及其附近发生的一定范围内快速且可逆的法拉第反应来实现储能
• 电极材料通常为过渡金属氧化物和有机导电聚合物，以活性物质表面及体相发生的快速可逆氧化还原反应形式储存能量，与蓄电池的能量存储相似
• 法拉第反应的电压随充进电荷的增加而成线性变化
• 能产生很大的容量，远大于活性炭材料表面的双电层电容

第65页：超级电容的应用领域

超级电容的应用：

• 作为电动汽车的唯一电源，提供短途行驶所需能量
• 作为燃料电池电动车的辅助动力电源，提供瞬间大功率并回收制动能量，减轻燃料电池负担
• 作为纯电动汽车的辅助能源提供峰值功率，使主电池可按平均功率选型，降低体积、容量、重量和成本
• 作为燃油或燃气发动机的辅助电源，形成油电或气电混合动力
• 作为太阳能、风能发电系统中的永久性蓄能装置
• 作为电站直流操作电源、高压环网功率补偿电源等
• 在电子电器中作为备用电池或主电池

第66页：上海超级电容公交试运行

2006年，由超级电容驱动的车辆在上海投入试运行，已经在3条公交线路上使用，媒体给予高度评价。《中国汽车报》整版报道的题目是：“超级电容车承载希望驶向未来”。

第67页：上海11路超级电容公交车

2006年10月，在上海的闹市区正式开通了11路公交车，全线以超级电容车运营。图为用普通公交车改装的超级电容车辆。

第68页：超级电容公交车充电设施

另一路超级电容公交车在磁悬浮列车的终点站服务。每个车站上方均设有充电设施，车辆进站后可在30秒内给车辆充足电能。

第69页：超级电容公交车参数表

超级电容公交车：电容器参数与运营中得到的实测数据如下表。

该超级电容公交车还可以回收刹车能量。

第70页：4座超级电容旅游车

超级电容旅游车——4座车：整车参数如下表，此车在上海崇明生态岛使用。

第71页：11座超级电容旅游车

超级电容旅游车——11座车：整车参数如下表，此车在上海张江高科技园区使用。

第72页：第7节 飞轮储能装置

第7节 飞轮储能装置（飞轮储能器，飞轮电池）：一、工作原理与结构。

第73页：

第74页：

第75页：飞轮转子与材料性能

1.飞轮转子：飞轮的旋转动能表示为E = 1/2·J·ω²；衡量飞轮储能性能的参数是比能量（单位质量储存的能量），其中m为飞轮质量、k_s为飞轮形状系数、k_m为飞轮材料利用系数、R为飞轮外径、σ_b为材料许用应力、ρ为密度。对于结构和形状一定的飞轮，比能量正比于材料的比强度σ_b/ρ，应选取密度小、强度高的材料。

第76页：飞轮支撑轴承类型

2.支撑轴承（影响储能效率和使用寿命）：

机械轴承

一般用于中低转速的装置

被动磁悬浮轴承

分为永磁轴承和超导磁悬浮轴承；永磁轴承转子和定子都装有永磁体，利用磁场力实现悬浮，不能实现稳定悬浮，需至少在一个方向上引入外力；超导磁悬浮轴承中永磁体安装在转子上，高温超导体安装在底座上并用液氮冷却

主动磁悬浮轴承

又称电磁悬浮轴承，可保证转子的稳定悬浮

第77页：飞轮储能装置的特点

二、飞轮储能装置的特点。

优点

比功率高，可达5000～10000W/kg；比能量大于20Wh/kg，最高可达200Wh/kg；能源转换效率可达90%；使用寿命长，不受重复深度放电影响，可循环几百万次，寿命长达20年以上；低损耗、基本免维护，磁悬浮轴承和真空环境使机械损耗可忽略，维护周期达10年以上；能快速充放电；工作温度范围宽；系统不含有毒材料，对环境无污染

不足

转子高速旋转，若断裂则能量不可控，存在一定的安全问题；技术还不够成熟，成本较高

第78页：

第79页：飞轮储能装置的应用

三、飞轮储能装置的应用：

• 交通运输：飞轮储能具有比功率大、重量轻、体积小和充放电快速的优点，非常适合用作混合动力汽车的辅助能量源
• 电力调峰
• 不间断电源（UPS）
• 其它用途：航天器姿态控制、太空站的能源、电磁炮强力放电、大型电焊机等场合