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deka电池-03

文章来源:;时间:2019-04-23 20:05:54

deka电池-03

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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 deka电池超导磁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 deka电池热储存系统(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。

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3.6 deka电池混合存储系统

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 deka电池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 deka电池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。


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