3.4 電存儲系統(tǒng)（EeSS）

EeSSs迪與ESS存在差異，主要在于他們的的存儲技術(shù)。通常，一個EESS以電的形式在隔離的電場或者電流形成的磁場中直接存儲電能。超級電容（UC）和超導體都屬于EeSS。

3.4.1 超級電容器（UCs）

就結(jié)構(gòu)和功能而言，UC與普通電容器類似。然而，UC可以具有高容量，其值為千法拉[3,33]，被稱為超級電容器。UC的比功率約1000 - 2000W/kg，能量效率95% [3,14,46,108 - 111] 。在所有ESS中，UC擁有最長壽命，近40年。由于UC具有高功率存儲功能，在電動汽車中被用于滿足大功率需求; 它不需要維護，而且溫度不敏感，操作時間長[3,14,111]。用于快速充電和放電，在電動制動能量回收過程中，UCs被用作能量存儲器，并且為急速加速需要的能量來源[63,108-111]。

UC分為三類，即電雙層電容器（EDLC），贗電容器和混合電容器[3,14,64]。EDLC具有比其他的電容器更高的功率密度，但它比能量低， 5-7Wh /kg，高的自放電率，且成本高[3,63,64] 。由于這些原因，UCS一般都是與電池、FCS或者其他儲能形式聯(lián)合應(yīng)用，這樣就可以獲得一個功率密度高，能量密度高，使用壽命長的儲能系統(tǒng) [63,65,108 - 114] 。圖16示出了單個UC單體結(jié)構(gòu)[115]。UC使用高介電常數(shù)的介電材料，多孔活性碳表面電極，有機或含水電解質(zhì)和薄的多孔隔膜[14,33,63]。有機UCs比UCs具有更高的能量密度和端電壓[63]。有機UCs通常用于驅(qū)動電動汽車[14]。如圖16所示，離子通過UCs中的電解質(zhì)在電極之間傳播。

存儲在電容器中的能量與其電容成正比，并與電極兩端的電壓成正比，隨著電極表面積和電介質(zhì)材料介電常數(shù)的增加，電極間距離的減小，容量增加，并且隨著電極，數(shù)值關(guān)系如方程 （13）所示[14,15,33,58]。

其中WC 是靜電能量，C是UC的電容值，V是電極兩端的電壓，Q是電荷，ε是介電材料的介電常數(shù)，A是電極的表面積，d是電極。

圖16.EDLC電池結(jié)構(gòu)[115]。

圖17. SMES系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[53,95]。

UC可以是對稱或不對稱的配置，使得它們或者具有相同電極材料或者材料不同。鉛碳電容器是不對稱UC的很好例子[116]。碳納米管UC技術(shù)具有100kW/kg的高功率密度和60 Wh/kg的較高能量密度[64] 。目前正在研究利用納米結(jié)構(gòu)材料開發(fā)UC [69,117]。由于較高的功率和能量密度，贗電容器和混合電容器在能量存儲應(yīng)用中表現(xiàn)出較好的性能[64] 。最近，鋰離子電容器（LIC）已經(jīng)被開發(fā)出來，它具有比其他UCs 更高的端電壓和能量密度[56,118,119] 。LIC以與UC相同的高功率密度運行。目前市場上用于電動汽車的鋰離子電容器功率為80Wh/kg，可部分替代鋰離子電池[56,119]。

3.4.2 超導磁ESS

超導磁能量存儲系統(tǒng)，以磁場的形式存儲能量。SMES系統(tǒng)具有高的能量存儲效率，約97％，完全放電能力，100000次循環(huán)壽命，和毫秒的快速響應(yīng)[45,53,69,86] 。然而，最初的成本高，典型的超導磁儲能系統(tǒng)可以達到205-340 $/kW，雖然成本比EDLC低[53,69] 。一般SMES的功率范圍在kW到MW，而研發(fā)的重點是如何控制SMES系統(tǒng)。SMES 的結(jié)構(gòu)如圖17所示[53,95]。能量被存儲在一個超導電磁線圈，線圈浸泡在液體氦（或由鈮-鈦合金的液態(tài)氦）中，溫度2-4 K [53,111,120,121] 。然而，SMES需要一個制冷系統(tǒng)來維持低溫，并且需要一個DC/AC電源變流器[46,51,86] 。超導材料正在開發(fā)一種更便宜的冷卻劑，如液氮。可以在低溫和高溫之間形成混合SMES系統(tǒng)，用于更高容量的超導存儲系統(tǒng) [120,121]。通常，SMES用于UPS，改善電能質(zhì)量和電網(wǎng)系統(tǒng)[51]，也被引入混合動力電動汽系統(tǒng)中。存儲于SMES系統(tǒng)能量的多少，直接取決于線圈的自感和流過線圈的電流的平方，如公式（14）所示[53]。

其中WL是存儲在電感線圈中的能量，L是自感，I是通過線圈的電流。

3.5 熱儲存系統(tǒng)（TSS）

TSS以熱的形式存儲能量，從太陽能或電加熱器產(chǎn)生的熱量保存在絕熱容器中，用于后續(xù)發(fā)電廠發(fā)電或者其他加熱用途[30,33] 。熱能儲存以各種方式實現(xiàn)，例如潛熱儲存，熱敏材料和熱化學吸附儲存系統(tǒng)[30,122,123]。潛熱儲存系統(tǒng)使用有機（例如，石蠟）和無機（例如水合鹽）和相變材料（PCM）作為存儲介質(zhì)以允許在存儲介質(zhì)的相變期間進行熱交換[30]。熔鹽是固液相變的最新PCM材料，用于集中式太陽能發(fā)電廠[30,124]。潛熱存儲系統(tǒng)具有高能量密度和常溫下的高傳熱效率[30,123] 。熱敏材料蓄熱系統(tǒng)是常見的，技術(shù)范圍廣，介質(zhì)類型包括固體（如地面，鑄鐵或混凝土）或液體（如水或熱油）的存儲介質(zhì)[30]。在這些系統(tǒng)中，熱存儲取決于在存儲介質(zhì)中的溫度變化，容量取決于介質(zhì)的比熱和質(zhì)量[30]，如等式（15）所示[111]。熱化學吸附儲存系統(tǒng)設(shè)計復雜且昂貴，給定了材料中吸熱和吸收熱量的過程。但是，這種系統(tǒng)的能量密度比水的存儲系統(tǒng)的能量密度高三倍[30]。在EV上，自動熱電發(fā)電系統(tǒng)，將廢熱轉(zhuǎn)換成電能，可以從總體上優(yōu)化系統(tǒng)效率，降低燃料成本[3] 。

其中Et 是儲存在V體積中的熱能，K是熱系數(shù)，T1 和T2 分別是溫升前后的溫度。

3.6 混合存儲系統(tǒng)

考慮ESS應(yīng)用于電動汽車和其他儲能場景，這取決于系統(tǒng)要求ESS對系統(tǒng)發(fā)揮多大的作用和需要怎樣的效率。單獨而言，所有ESS都無法提供所有功能，如能量密度，功率密度，放電倍率，循環(huán)壽命和成本[3,14,56,58,125-136]。因此，ESS需要通過組合具有互補特性的兩個或更多ESS來優(yōu)化能量存儲和傳遞的特征的需求，從而確保ESS的最佳性能。

混合ESS（HSS）已經(jīng)開發(fā)出來，它們將兩個或更多ESS的輸出功率與互補特征進行結(jié)合[3,14,15,33,35,58,125-136]。在HSS系統(tǒng)中，高功率密度和ESS高能量密度ESS，或快響應(yīng)ESS和慢響應(yīng)ESS，或高的成本和低成本ESS的組合是由功率電子系統(tǒng)進行調(diào)配，為負載提供最適當?shù)膭恿14,15,33,58,125-136]。HSSS可以分類為：電池和電池混合動力汽車，電池和超級電容器混合動力汽車，F(xiàn)C和電池混合動力汽車，電池和SMES混合動力，以及電池和FL飛輪混合動力汽車，CAES（壓縮空氣儲能）和電池混合動力汽車，F(xiàn)C和UC混合動力汽車，F(xiàn)C和超高速飛輪混合動力汽車，CAES和UC混合動力汽車，是近距離和遠距離組合的HSSS系統(tǒng)[3,14,15,33,56,58,125-136]。Zn-Air和VRLA，Zn-Air和NiMH，鋅-空氣和鋰離子，F(xiàn)C和VRLA，F(xiàn)C和NiMH和FC和鋰離子混合動力，是高低功率的組合。VRLA和UC，NiMH和UC，鋰離子和UC混合動力車是低功率和高功率需求的組合。FC和UC，F(xiàn)C和UHSF，CAES和UC混合用于長期應(yīng)用；其他的組合形式也有被應(yīng)用，鋰離子和UHSF/SMES，CAES和VRLA [14,56,125 - 136]。

混合ESS能吸收高頻UC和低頻電池性能波動，獲得優(yōu)化的高功率和高比能量[14] 。FC和電池混合，比單獨分別使用表現(xiàn)出更高的功率特性和效率。FC和UC混合動力汽車對于EV應(yīng)用具有吸引力，因為它們具有一般低功率，瞬態(tài)高功率的能力[14,56]。建立混合動力ESS，將功率電子用于EV，應(yīng)用程序接口的結(jié)構(gòu)如圖18 [3,35,56,58,125-136] 。在圖18（a）中，2種能源的ESS，例如電池和UCS，處于被動結(jié)構(gòu)，擁有相同的端電壓，這是一個簡單高效的結(jié)構(gòu)[3,126 - 130] 。圖18（b），（c）（1）和（c）（2）示出了放置在兩個ESS之間的雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器，兩個ESS之后的兩個雙向轉(zhuǎn)換器以及三個ESS之后的三個雙向轉(zhuǎn)換器。在（b）（2）中，固定的DCDC鏈路結(jié)構(gòu)體中的逆變器，比（b）（1）鏈路中的效率高得多，因為（b）（1）中需要逆變器去維持UC的端電壓[3,124 - 129]。

圖18. HSS的結(jié)構(gòu)：a）兩個并聯(lián)的ESS（無源），b）一個串聯(lián)的雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器; c）兩個串聯(lián)的雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器，d）兩個并聯(lián)的兩個雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器，以及e）多輸入ZVS雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器。

包含兩個DCDC的18（C）（1），兩個ESS有近似的端電壓，其中一個DCDC轉(zhuǎn)換器控制電池的輸出電流；第二個DCDC調(diào)節(jié)來自UCS的負載所需要的功率[3,124 - 130]。結(jié)構(gòu)18（c）（2）類似于18（c）（1），但其中一個ESS更多的考慮用于穩(wěn)定的能量儲存和供應(yīng)。圖18（d）示出了兩個并聯(lián)輸入的去耦結(jié)構(gòu)的雙向的DC-DC轉(zhuǎn)換器，該系統(tǒng)具有跟高的靈活性，穩(wěn)定性，和高效率；提供了緊湊的HSS和冗余服務(wù)來解決單一電源的故障問題。然而，該結(jié)構(gòu)降低了電池的壽命，因為大的輸出電流給電源帶來巨大壓力[3,126-130] 。最近開發(fā)出來的，使用分離的多輸入ZVS雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)，如圖18（e）所示，其可以共享源之間的最佳功率，具有高的功率效率，高可靠，高耐用，但有一個龐大的結(jié)構(gòu)[3,133-136]。

4 EV儲能系統(tǒng)的特點

適用于電動汽車應(yīng)用的ESS的選擇主要取決于它們的特性，即容量，總輸出功率，放電時間，DOD，自放電，循環(huán)壽命，充放電效率，尺寸和成本。ESS的容量定義為完全充電之后，系統(tǒng)中的存儲可用能量的總量。依據(jù)自放電，DOD和響應(yīng)時間方面的不同，ESS到ESS的容量利用率可能不同[46]。ESS中的可總能量限制了轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和負載參數(shù)，而 ESS只可以在其最大值下放電或再充電。ESS功率的輸出和放電取決于系統(tǒng)響應(yīng)和需求。功率特性可以體現(xiàn)為放電倍率，或者根據(jù)負載要求放出需求電量的總體時間 [46,58]。放電時間是存儲在ESS中的能量的量與從該系統(tǒng)遞送的最大能量的量的比率。自放電特性是指當ESS未運行或閑置時隨時間流逝的能量損失量。

循環(huán)壽命是指ESS的耐久性，取決于ESS可以充電后提供能量的次數(shù)。循環(huán)壽命取決于構(gòu)成ESS的材料和操作水平。效率指的是ESS從所存儲的能量中輸送的能量的量。ESS可能受到幾個參數(shù)的限制，如自放電，循環(huán)壽命，材料特性，能量轉(zhuǎn)換和工作溫度。ESS的規(guī)模是EV應(yīng)用ESS的關(guān)鍵特征。緊湊的尺寸對應(yīng)于電池效率性能。高能量密度對應(yīng)于小的質(zhì)量和體積。成本與規(guī)模密切相關(guān)。而且，ESS的資本成本包括存儲系統(tǒng)的設(shè)計，材料，包裝，維護，損耗，壽命，因環(huán)境問題的經(jīng)營成本的一部分[4- 8,46] 。

ESS的性能由它的基本特性參數(shù)決定。高能量密度，高功率密度和小尺寸能量存儲應(yīng)用是必不可少的ESS特征。此外，在制造和選擇ESS作為EV動力過程中，需要確認的，零排放，可以忽略不計自放電，低的化學反應(yīng)引起的材料腐蝕，長的耐久性，高效率，和低維護成本。ESS需要對爬坡過程作出快速反應(yīng)，并在正常運行中保持穩(wěn)定。為了這些目的，混合的ESS都提出了用于改進在EV應(yīng)用中更好的ESS [125-136]。如今，R＆d工作主要集中在改進技術(shù)以及ESS先進技術(shù)的研發(fā)。

5 不同儲能形式的整體比較

不同儲能形式，在運行時間周期和適用規(guī)模上存在不同，比如液流電池比較適應(yīng)大規(guī)模儲能，抽水蓄能更是只有大型水電站的專項；而鋰電池，在日用消費品，3C產(chǎn)品上做電源已經(jīng)司空見慣。從周期和規(guī)模兩個維度定位儲能形式，見圖19。以整體循環(huán)壽命和效率兩個維度來評價儲能形式，見圖20。站在大規(guī)模系統(tǒng)應(yīng)用的角度，考慮不同儲能形式之間的成本對比，見圖21。

圖19 能量存儲技術(shù)

圖20. ESS在效率和循環(huán)壽命參數(shù)分布。

圖21.用于大規(guī)模儲能的ESS總資本成本[69]。

鋰電池無疑是當前市場篩選出來的佼佼者，我們看一下鋰電池在這三幅圖中的位置，圖19：功率性能偏低，放電周期居中；圖20：效率中上，壽命偏低；圖21：單位功率成本偏高，單位能量成本偏低。

把諸多儲能形式放到一起，我們不難發(fā)現(xiàn)，單純一種儲能形式，想要一己之力滿足多種應(yīng)用場景的全部要求，是比較困難的。而隨著系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，尤其儲能系統(tǒng)控制管理水平的提升，個人感覺，儲能的遠期形式很可能是混合儲能，關(guān)鍵影響因素是復雜系統(tǒng)構(gòu)建成本的降低，至少達到延長的儲能介質(zhì)壽命可以補償系統(tǒng)成本的時候，混合儲能的春天可能就會來了。

而電動汽車的儲能系統(tǒng)，由于空間的有限，還受到另外一些因素的制約，最突出的一個就是用戶對續(xù)航的焦慮感。這種焦慮使得生產(chǎn)者有強大的動力追求能量密度。目前，我們大多把給一輛車裝載更多電量，當做解決續(xù)航焦慮的最主要途徑。實際上，換一個角度，提高能量密度不一定是最快的途徑，并且很容易出現(xiàn)天花板。反而充電樁的建設(shè)和快速充電技術(shù)的進步，可能領(lǐng)先一步解決這個問題。

參考文獻

內(nèi)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。