2.3　其他能量源

2.3.1　超级电容

随着科技的进步，近年来出现了一种新的元器件——超级电容。这种新型的电子器件与一般蓄电池相比，功率密度高10倍以上，充放电速率高100倍以上。

2.3.1.1　超级电容及应用概况

超级电容（uhracapacitor）是一种介于电解质电容器和电化学蓄电池之间的新型储能装置，其储能方式与传统电容器不同。传统电容器由电极和电解质构成，电极间的电解质在电场作用下产生极化效应而储存能量，而超级电容则不存在介质，是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。如图2-7所示，超级电容器可以被视为悬浮在电解质中的两个无反应活性的多孔电极板，在极板上加电，正极板吸引电解质中的负离子，负极板吸引电解质的正离子，实际上形成两个容性存储层，被分离开的正离子在负极板附近，负离子在正极板附近。

作为一种新型储能元件，电化学电容器的电容量可高达法拉级甚至上万法拉，能够实现快速充放电和大电流放电，比蓄电池具有更高的功率密度（可达1000W/kg数量级）和更长的循环使用寿命（充放电次数可达10万次），同时可在极低温等极端恶劣的环境中使用，并且无环境污染。

在近期内，超级电容极低的比能量使得它不可能单独用作电动汽车能量源，但使用超级电容作辅助能量源具有显著优点。在电动汽车上使用的最佳组合为电池-超级电容混合能量系统，从而使得电动汽车对电池的比能量和比功率要求分离开来。电池设计可以集中于对比能量和循环寿命要求的考虑，而不必过多地考虑比功率问题。由于超级电容的负载均衡作用，电池的放电电流得到减少，从而使电池的可利用能量、使用寿命得到显著提高。而且与电池相比，超级电容可以迅速高效地吸收电动汽车制动产生的再生动能。　

由于超级电容的载荷均衡和能量回收作用，车辆的续驶里程得到极大的提高。但该系统应对电池、超级电容、电动机和功率变换器等作综合控制和优化匹配，功率变换器及其控制器的设计应充分考虑到电动机和超级电容之间的匹配。

近年来，超级电容在混合动力系统、低温启动系统及车辆24V电源系统中都得到了应用。美国的Maxwell、韩国的Ness、俄罗斯ESMA以及一些日本公司都已经实现了超级电容的批量化生产，我国的上海奥威、哈尔滨巨容等公司也进行了超级电容的研发并进行了小批量生产和装车试验。但在超级电容器广泛应用于电动汽车之前，提高其性能尤其是比能量，以及降低成本，成为迫切需要解决的问题。

2.3.1.2　超级电容器与蓄电池性能比较

（1）蓄电池的不足　电动汽车动力源蓄电池在加速或爬坡时要进行大电流放电；减速或下坡时要快速充电实现制动能量回收，要求蓄电池具有优良的倍率、快速充放电特性和使用寿命长且性能稳定。而对蓄电池实行大电流充放电将使其寿命大大缩短。同时由于电动汽车放置蓄电池的空间有限，布置非常紧凑，热量易积累，使得蓄电池暴露在高温环境中造成高温失效。

尽管针对电动汽车所使用的铅酸蓄电池做了许多改进，但是其在高温时性能恶化快、寿命短、充放电效率低已经成为电动汽车发展的难题之一。

（2）超级电容器的优势　超级电容器也称电化学电容器，因其存储能量大，质量轻，可多次充放电而成为一种新型的储能装置。超级电容器有以下优势。

①电容量大。超级电容器采用活性炭粉与活性碳纤维作为可极化电极，与电解液接触的面积大大增加。根据电容量的计算公式，两极板的表面积越大，则电容量越大。因此，一般双电层电容器的容量很容易超过1F，它的出现使普通电容器的容量范围骤然跃升了3～4个数量级。

②充放电寿命很长。超级电容器充放电寿命可达500000次或90000h，而蓄电池的充放电寿命很难超过1000次；超级电容器可以提供很高的放电电流，一般蓄电池通常不能有如此高的放电电流，一些高放电电流的蓄电池在如此高的放电电流下的使用寿命将大大缩短。

③快速充放电。可以从数十秒到数分钟内快速充电，而蓄电池在如此短的时间内充满电将是极危险的或是几乎不可能的。

④很宽的工作温度范围。蓄电池很难在高低温，特别是低温环境下工作；超级电容器用的材料是安全和无毒的，而铅酸蓄电池、镍镉蓄电池均具有毒性。

⑤超级电容器可以任意并联使用来增加电容量，如采取均压措施后，还可以串联使用。

尽管有在能量存储上的优势，但超级电容器还是不能和电化学蓄电池相比，即使是铅酸蓄电池也能比超级电容器多存储10倍以上的能量。

2.3.1.3　超级电容主要参数及充放电时间常数

（1）超级电容主要参数

①工作电压　电容器能够连续、长期地保持最大电压。

②电流　对电容器进行充电后，为使电容器在某一电压处于稳定状态而从外部施加的一个电流。

③时间常数　如果一个超大容量电容器能够模拟为一个电容和一个电阻的简单串联组合，则该电容和电阻的乘积便为时间常数，其单位为s，相当于将电容器恒压充电至满充容量的63.2%时所需的时间。

④等效串联电阻　当一个电容器被模拟为包括电感、电容、电阻的等效模拟电路时，其中的电阻部分即为等效串联电阻。等效串联电阻可以利用交流阻抗技术或电流阶跃技术测试得到。

⑤放电容量　电容器在放电过程中可以放出的全部容量，具体计算方法是将放电过程中一个瞬间的电压与电流的乘积对放电时间进行积分。

⑥理想存储能量（电容器存储能量的理想值）　对于一个简单的电化学电容器，其理想存储能量值可以通过来计算，式中，C为电容器的容量；Uw为电容器的工作电压。

⑦平均放电功率　平均放电电流和平均放电电压的乘积即为平均放电功率。

⑧最大输出功率　指当为电容器外接一个合适的负载时，其可以达到的最大输出功率，计算公式为P=U 2/（4R），式中，U为电容器的初始电压；R为电容器的等效串联电阻。

⑨放电效率　在一个特定的充放电循环中，电容器放出的能量占充入的能量的百分比。

（2）超级电容充放电时间常数的确定　超级电容作为一种高功率动力源，可大电流充放电，并且使用寿命比电池长得多，这使得其充放电效率对性能的发挥有着极其重要的影响。超级电容器组的时间常数是决定超级电容器组充放电效率的重要因素。超级电容器组的充放电时间主要取决于超级电容器组的充放电效率。

假设电容组以恒定的电流充放电，经过时间t后，电容器组电量从Q1到Q2，相应的电压由U1到U2，则电容器组存储释放的能量E为：

此时超级电容器组内阻R消耗的能量ER为：

定义时间常数τ=RCC，β=U1/U2（充电）或β=U2/U1（放电），得到充电效率ηC和放电效率ηD为：

可知，对于相同的τ，超级电容器组效率随充放电深度增大而减小，随充放电时间t增大而增大。对于相同的β，ηC永远大于ηD；同时τ越小，相同放电时间效率也越高，并且基本上接近，但随着τ的增大，偏差迅速增大。所以在选用超级电容器时，要综合考虑充放电深度和时间的匹配关系，根据电容器的成本随时间常数的增大而增大的原则，在不影响使用的前提下，尽量选用时间常数小的电容器。此时电容器的充放电时间可以设计相等。

2.3.2　飞轮电池

2.3.2.1　概述

飞轮电池是一种新型的机械储能装置，它利用高速旋转的飞轮将能量以动能的形式存储起来。与蓄电池相比较，飞轮电池具有更高的比能量和比功率，充电时间短，使用寿命长，无过度充放电问题。因此，可将飞轮电池应用于电动汽车中，使飞轮电池和蓄电池共同提供或吸收汽车运行中的峰值功率。

使用飞轮以机械能的形式存储能量并不是一个新的设计理念。早在20世纪50年代，瑞士Oerlikon工程公司就设计出了首辆使用飞轮作动力的客车，该飞轮重1500kg、工作转速3000r/min，在汽车停靠站对飞轮进行充电。普通的飞轮采用厚重的钢材质转子，总重有上百千克而工作转速仅有上百转；相反，先进的飞轮设计使用轻质复合材料转子，质量仅有几十千克而转速可达上万转，因此被称为飞轮电池。

飞轮储能系统包括三个核心部分：飞轮、电动机/发电机和电力电子变换装置，其工作原理如图2-8所示。

从原理图可看出，电力电子变换器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器变成负载所需要的各种频率、电压等级的电能，以满足不同的需求。由于输入、输出是彼此独立的，设计时常将电动机和发电机用一台电机来实现，输入输出变换器也合并成一个，这样就可以大大减少系统的大小和重量。由于在实际工作中，飞轮的转速可达40000～50000r/min，一般金属制成的飞轮无法承受这样高的转速，所以飞轮一般都采用碳纤维制成，以减少整个系统的重量。为了减少充放电过程中的能量损耗（主要是摩擦力损耗），电机和飞轮都使用磁悬浮轴承以减少机械摩擦，同时将飞轮和电机放置在真空容器中，以减少空气摩擦，这样飞轮电池的输入、输出效率可达95%左右。

实际使用的飞轮装置中，主要包括以下部件：飞轮、轴、轴承、电机、真空容器和电力电子变换器，其结构原理如图2-9所示。从结构图可以看出，飞轮是整个装置的核心部件，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MOSFET和IGBT组成的双向变换器，它们的原理不再叙述，它们决定了飞轮装置能量输入、输出量的大小。

飞轮电池是实现电动汽车储能要求的一种有效方式，它具有高比能量、高比功率、长循环寿命、高能量效率、能快速充电和免维护等优点，成为远期储能装置的一种选择。使用飞轮电池作辅助能量源的混合动力电动汽车具有和使用超级电容器作辅助能量源的混合动力电动汽车相同的优点。首先，减弱了对电池比能量和比功率之间的要求，有利于优化电池的比能量密度和循环寿命设计；其次，由于飞轮的负载均衡作用，降低了电池的输出功率以及放电电流，电池的可利用能量、使用寿命得到了提高；最后，在车辆低功率行驶以及再生制动时，飞轮可以高效率地实现补充充电。由于负载均衡装置和主能源之间的协调工作和再生制动时的能量回收，车辆的续驶里程明显提高。

飞轮电池还可以像蓄电池和燃料电池一样，作为独立的能源系统向电动汽车供电，并有可能成为电动汽车应用的远期目标。飞轮有望具有比其他任何电池都高的比能量和比功率，甚至有可能超过内燃机，另外，飞轮的使用寿命不受限制（至少高于车辆寿命），解决了其他能量源存在的使用寿命有限的问题。

2.3.2.2　应用

对飞轮电池进行快速、稳定的充放电控制，可减小蓄电池在电动汽车制动和加速时的充放电电流，从而实现对蓄电池的保护。

（1）系统结构　如图2-10所示为蓄电池和飞轮电池在电动汽车中的复合电源系统结构。该系统主要由汽车驱动电机模块、蓄电池模块和飞轮电池模块三部分组成。其中E为蓄电池的电动势；R为蓄电池的内阻；PWM1为电动汽车交流电机的变流器。飞轮电池并联在系统的直流母线上，主要由高速飞轮、永磁同步电机和PWM2变流器构成。

飞轮电池在系统中起着提供电能和制动能量回收的双重作用。电动汽车加速、爬坡时，为满足电动汽车的瞬时大功率要求，飞轮电池快速放电，它和蓄电池一同为电动汽车提供能量；电动汽车减速、下坡时，汽车的驱动电机工作在发电状态，飞轮电池则工作在充电状态，它和蓄电池一起吸收汽车制动时回馈的能量；电动汽车正常行驶时，其驱动电机所需功率较小，此时飞轮电池工作在能量保持模式，仅由蓄电池供电即可满足要求。

（2）飞轮电池电机的数学模型　永磁同步电机是一个非线性、强耦合的多变量系统，通过坐标变换，可以建立其在d-q两相旋转坐标系下的数学模型，进而实现变量之间的部分解耦。

在电动机模式下，永磁同步电机d-q坐标系下的电压方程为：

定子磁链方程为：

转矩方程为：

Te=pn[ψriq+（Ld-Lq）idiq]

运动方程为：

式中　ud，uq——电机定子d、q轴的电压分量；

id，iq——电机定子d、q轴的电流分量；

Ld，Lq——电机定子d、q轴等效电感；

Rs——电机定子电阻；

ψr——转子在定子上的耦合磁链；

ψd，ψq——d、q轴等效磁链分量；

ωr——转子的电角速度；

Te——电磁转矩；

pn——电机的极对数；

P——微分算子；

J——转动惯量；

fm——摩擦系数。

根据d-q坐标系下的电压方程，得出永磁同步电机在d、q坐标轴下的等效电路，如图2-11所示。

（3）飞轮电池充电控制　电动汽车下坡或制动时，它的驱动电机工作在发电状态，向系统直流母线回馈大量电能，飞轮电池和蓄电池共同回收汽车的制动能量。飞轮电池工作在充电模式，飞轮的转速升高，电能转化为飞轮的机械能。若飞轮的转速由ω1上升到ω2，则飞轮电池吸收的能量如下。

可见，飞轮电池充电的控制也就是对飞轮转速的控制，即对永磁电机的转速控制。

转速控制的关键在于能否精确地控制电机电磁转矩的输出。为了满足飞轮电池的快速充电要求，采用基于转子磁场定向的矢量控制，其控制框图如图2-12所示。

在矢量控制中，控制电机的定子电流id与q轴重合，即id=0，此时电磁转矩Te仅由iq决定，定子电流全部用来产生电磁转矩，能够保证较大的输出转矩。此时，永磁同步电机就相当于一台他励直流电动机。采用id=0的矢量控制时，定子电流的电枢反应中没有d轴去磁分量，永磁电机不会产生退磁现象。

（4）飞轮电池放电控制　电动汽车启动或加速时，需要电源系统输出很大的功率，飞轮电池和蓄电池工作在放电状态。蓄电池的放电电流为：

式中　E——蓄电池的电动势；

R——蓄电池的内阻；

Udc——系统直流侧电压。

可见，控制系统的直流侧电压即可限制蓄电池的放电电流。

飞轮电池放电时，对其电机发出的交流电进行PWM整流控制，采取直流侧电压外环、电流内环的双闭环控制策略。如图2-13所示为放电控制框图。在飞轮电池电机输出电压下降或直流侧电压扰动时，电压外环保证了输出电压的稳定。电流内环确保系统有快速的动态响应。

电压调节器和电流调节器都采用带限幅的PI调节器，电压调节器的输出限幅决定了飞轮电池的最大输出电流，从而限制了飞轮电池的最大输出功率。