飞轮电池与超级电容-ppt课件.ppt
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1、新能源汽车技术1ppt课件复习:复习: 1.镍氢电池的主要特点和应用; 2.锂离子电池的主要特点和应用。2ppt课件2.5 飞轮电池与超级电容 教学目标: 1.掌握飞轮电池的主要特点和应用; 2.掌握超级电容的主要特点和应用。3ppt课件2.5.1 2.5.1 飞轮电池飞轮电池 飞轮电池是20世纪90年代才提出的新概念电池。它突破了化学电池的局限,用物理方法实现蓄能。飞轮电池储能是基于飞轮以一定角速度旋转时,可以存储动能的基本原理。飞轮电池正是以其动能转换成电能的。 4ppt课件1飞轮电池的结构与原理 飞轮电池实际是一种机电能量转换和储存装置,根据飞轮能够储存和释放能量的特性研制的一种机械式蓄
2、电池就是飞轮蓄电池。在飞轮的内部镶有永久性磁铁,外壳上装有感应线圈,这样飞轮就具有电动机和发电机的双重功能。5ppt课件1飞轮电池的结构与原理 对飞轮电池充电时,通过电力电子装置从外部输入电能而使电机旋转,电机(此时作为电动机)驱动飞轮加速旋转,飞轮储存的动能(机械能)就增大。飞轮电池向外放电时,由高速旋转的飞轮带动电机(此时作为发电机)旋转,将动能转化为电能, 再通过电力电子变换装置将电能转换为负载所需的频率和电压。6ppt课件1飞轮电池的结构与原理 飞轮电池主要由飞轮、轴、轴承、电机、真空容器和电力电子变换器等组成,如图所示。7ppt课件1飞轮电池的结构与原理 外设通过电力电子装置给电机供
3、电时,电机就作为电动机使用,它的作用是给飞轮加速,储存能量;当负载需要电能时,飞轮给电机施加转矩,电机又作为发电机使用,通过电力电子装置给外设供电。8ppt课件1飞轮电池的结构与原理 整个飞轮储能装置中,飞轮无疑是其中的核心部件,它直接决定了整个装置的储能多少,它储存的能量E由下式决定:式中:J为飞轮的转动惯量,与飞轮的形状和重量有关; max为飞轮允许的最高工作转速,rad/s; min为飞轮允许的最低工作转速,rad/s 。 9ppt课件2飞轮电池的特点能量密度高。能量密度高。飞轮电池的能量密度可达飞轮电池的能量密度可达100100 200Wh/kg200Wh/kg,功率密度可,功率密度可
4、达达50005000 10000W/kg10000W/kg能量转换效率高、充电快。能量转换效率高、充电快。飞轮电池工作时的能量损失很小,其能飞轮电池工作时的能量损失很小,其能量转换效率高达量转换效率高达90%90%以上。由于飞轮电池无最大充电电流的限制,以上。由于飞轮电池无最大充电电流的限制,其充电速度取决于飞轮的角加速度,因而充电很快。其充电速度取决于飞轮的角加速度,因而充电很快。体积小、质量轻。体积小、质量轻。飞轮采用了碳纤维材料,直径一般也不大。与化飞轮采用了碳纤维材料,直径一般也不大。与化学电池和燃料电池相比,飞轮电池的体积小、质量轻。学电池和燃料电池相比,飞轮电池的体积小、质量轻。工
5、作温度范围宽工作温度范围宽。飞轮电池对环境温度没有严格限制。飞轮电池对环境温度没有严格限制。使用寿命长使用寿命长。飞轮电池无重复深度放电影响,其循环充放电次数可。飞轮电池无重复深度放电影响,其循环充放电次数可达数百万次,预期寿命可达达数百万次,预期寿命可达2020年以上。年以上。10ppt课件2飞轮电池的特点维护周期长维护周期长。飞轮电池的轴承采用磁悬浮形式,飞轮在真空环境。飞轮电池的轴承采用磁悬浮形式,飞轮在真空环境下运转,其机械损耗微乎其微,因而其维护周期长。下运转,其机械损耗微乎其微,因而其维护周期长。 飞轮电池特别适合用作电动汽车的辅助蓄能装置,在车辆起步、飞轮电池特别适合用作电动汽车
6、的辅助蓄能装置,在车辆起步、加速、爬坡等行驶工况时,协助蓄电池供电,可提高电动汽车的动加速、爬坡等行驶工况时,协助蓄电池供电,可提高电动汽车的动力性,并延长蓄电池的使用寿命。在车辆制动时,飞轮电池可很好力性,并延长蓄电池的使用寿命。在车辆制动时,飞轮电池可很好地回收制动能量。用飞轮电池作蓄能装置的电动汽车也早被世界各地回收制动能量。用飞轮电池作蓄能装置的电动汽车也早被世界各国所关注。美国飞轮系统公司用其最新研制的飞轮电池将一辆克莱国所关注。美国飞轮系统公司用其最新研制的飞轮电池将一辆克莱斯勒斯勒LHSLHS轿车改成电动轿车,一次充电可行驶轿车改成电动轿车,一次充电可行驶600km600km,0
7、 0 96km/h96km/h的加的加速时间仅为速时间仅为6.5s6.5s。11ppt课件3.3.飞轮电池在电动汽车上的应用案例飞轮电池在电动汽车上的应用案例 20 20世纪世纪8080年代初,瑞士年代初,瑞士OerlikonOerlikon Energy Energy公司研制成功了完全由公司研制成功了完全由飞轮电池供能的电动公交客车,飞轮直径飞轮电池供能的电动公交客车,飞轮直径1.63m1.63m,重,重1.5t1.5t,可载乘客,可载乘客7070名,在行驶过程中,需要在每个车站名,在行驶过程中,需要在每个车站( (站间距约站间距约800m)800m)停车充电停车充电2min2min。12p
8、pt课件3.3.飞轮电池在电动汽车上的应用案例飞轮电池在电动汽车上的应用案例19871987年,德国开发了飞轮电池混合动力汽车,利用飞轮电池吸收年,德国开发了飞轮电池混合动力汽车,利用飞轮电池吸收90%90%的制动能量,并在需要短时加速等工况下输出电能补充内燃机功率的的制动能量,并在需要短时加速等工况下输出电能补充内燃机功率的不足。不足。13ppt课件3.3.飞轮电池在电动汽车上的应用案例飞轮电池在电动汽车上的应用案例19921992年,美国飞轮系统公司年,美国飞轮系统公司(AFS)(AFS)采用纤维复合材料制造飞轮,并开采用纤维复合材料制造飞轮,并开发了飞轮电池电动汽车,该车一次充电续驶里程
9、达到发了飞轮电池电动汽车,该车一次充电续驶里程达到600km600km。14ppt课件3.3.飞轮电池在电动汽车上的应用案例飞轮电池在电动汽车上的应用案例 保时捷保时捷911 GT3911 GT3采用机电飞轮代替蓄电池为能源。该系统包括一采用机电飞轮代替蓄电池为能源。该系统包括一台连接有电动机台连接有电动机/ /发电机的电动飞轮。飞轮最高转速高达发电机的电动飞轮。飞轮最高转速高达40,000r/min40,000r/min。15ppt课件 沃尔沃在赛车上应用的动能回收系统(沃尔沃在赛车上应用的动能回收系统(Kinetic Energy Kinetic Energy Recovery Syste
10、msRecovery Systems,简称,简称 KERSKERS)采用的就是机械飞轮储能结构,储)采用的就是机械飞轮储能结构,储存来自车身的动能并储存在由一块重量存来自车身的动能并储存在由一块重量6kg6kg,直径,直径20cm20cm的碳纤维组成的碳纤维组成飞轮模块中,需要释放时,其通过飞轮模块中,需要释放时,其通过CVTCVT变速模块将能量传递至后桥直变速模块将能量传递至后桥直接驱动车轮。根据官方测试的结果表明,使用了该技术的四缸涡轮增接驱动车轮。根据官方测试的结果表明,使用了该技术的四缸涡轮增压发动机可以达到压发动机可以达到6 6缸涡轮增压发动机的水平,同时相比六缸涡轮增缸涡轮增压发动
11、机的水平,同时相比六缸涡轮增压发动机减少压发动机减少25%25%的油耗。的油耗。16ppt课件2.5.1 2.5.1 超级电容超级电容超级电容器(Supercapacitor,Ultracapacitor),又叫黄金电容、法拉电容,通过极化电解质来储能,属于双层电容的一种。由于其储能的过程并不发生化学反应,因此这种储能过程是可逆的,正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。由于其容量很大,对外表现和电池相同,因此也称作“电容电池”或说“黄金电池”。超级电容器是目前世界上已投入量产的双电层电容器中容量最大的一种,其基本原理和其它种类的双电层电容器一样,都是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结
12、构获得超大的容量。17ppt课件1.1.传统电容储能方法传统电容储能方法传统物理电容中储存的电能来源于电荷在两块极板上的分离,两块极板之间为真空(相对介电常数为1)或一层介电物质(相对介电常数为)所隔离,电容值为:C=A/3.6d10-(F)其中A为极板面积,d为介质厚度。所储存的能量为:E=C(V)2/2其中C为电容值,V为极板间的电压降。18ppt课件2.2.超级电容器的概念超级电容器的概念19什么是超级电容器?什么是超级电容器? 超级电容器(supercapacitor)是指相对传统电容器而言具有更高容量的一种电容器。通过极化电解质来储存能量。 超级电容器是介于电容器和电池之间的储能器件
13、,它既具有电容器可以快速充放电的特点,又具有电池的储能特性。19ppt课件3.3.超级电容工作原理目前主要的双层结构超级电容主要有碳电极双电层电容器,金属氧化物电极双层电容器和有机聚合物电极双层电容器,但是由于金属氧化物(氧化钌)电极电容价格高昂,有二次污染等因素,目前主要用于军事领域。有机聚合物技术尚未成熟,因此在电动汽车上广泛使用的主要是碳电极超级电容。20ppt课件3.3.超级电容工作原理碳电极超级电容器的面积是基于多孔碳材料,该材料的多孔结构允许其面积达到2000m2/g,通过一些措施还可以实现更大的表面积。碳电极超级电容器电荷分离开的距离是由被吸引到带电电极的电解质离子尺寸决定的,该
14、距离比传统电容器薄膜材料所能实现的距离更小。这种庞大的表面积再加上非常小的电荷分离距离使得超级电容器较传统电容器而言有巨大的静电容量。双电层储能21ppt课件3.3.超级电容工作原理超级电容器中,多孔化电极采用的是活性碳粉或活性碳或活性碳纤维,电解液采用有机电解质,如丙烯碳酸脂或高氯酸四乙氨等。工作时,在可极化电极和电解质溶液之间界面上形成的双电层中聚集电容量,其多孔化电极在电解液中吸附电荷,因而可以存储很大的静电能量,超级电容器的这一储电特性介于传统的电容器与电池之间。尽管这能量密度比电池低,但是这能量的储存方式,有快充快放的特点,可以应用在传统电池难以解决的短时高峰值电流应用之中。22pp
15、t课件4.4.超级电容在车辆上的应用超级电容适合用做电动汽车的辅助动力汽车频繁的起步、爬坡和制动造成其功率需求曲线的变化很大,在城市路况下更是如此。一辆高性能的电动汽车的峰值功率与平均功率之比可达16:1,但是这些峰值功率的特点是持续时间一般都比较短,需要的能量并不高。 对于纯电动、燃料电池和串联混合动力汽车而言,这就意味着要么汽车动力性不足,要么电压总线上要经常承受大的尖峰电流,这无疑会大大损害电池、燃料电池或其它APU的寿命。23ppt课件超级电容适合用做电动汽车的辅助动力如果使用比功率较大的超级电容,当瞬时功率需求较大时,由超级电容提供尖峰功率,并且在制动回馈时吸收尖峰功率,那么就可以减
16、轻对电池、燃料电池或其它APU的压力。从而可以大大增加起步、加速时系统的功率输出,而且可以高效地回收大功率的制动能量。这样做还可以提高电池的使用寿命,改善其放电性能。双电层超级电容器24ppt课件超级电容适合用做电动汽车的辅助动力其工作过程如下:1)启动,加速,爬坡(箭头代表放电方向)电池功率变换器功率变换器电动机超级电容25ppt课件超级电容适合用做电动汽车的辅助动力其工作过程如下:2)正常行驶(箭头代表放电方向)电池功率变换器电动机超级电容26ppt课件超级电容适合用做电动汽车的辅助动力其工作过程如下:3)减速制动(箭头代表放电方向)电池功率变换器功率变换器电动机超级电容27ppt课件目前
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