混合动力汽车为何只用电池储能,而不用飞轮、压缩空气、超级电容等方式储能?

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2021年3月13日,国务院发布《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》。
+ x1 z- J' [  T# w$ J! ^/ b; E其中就讲了2021年到2035年,一共15年需要发展的储能方式。. e) O. R7 p0 g/ E7 ?
按照技术原理划分,储能技术主要分为物理储能(如抽水储能、压缩空气储能、飞轮储能等)、化学储能(如铅蓄电池、液流电池、钠硫电池、锂离子电池)和电磁储能(如超导电磁储能、超级电容器储能等)三大类。其中:最成熟的是抽水蓄能、铅蓄电池;正处于示范推广阶段的是飞轮储能、压缩空气储能、锂电池;发展处于初期的技术有铝空气电池、液流电池、钠硫电池、固态电池、燃料电池、超导磁蓄能、超级电容等。
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下面简单介绍下压缩空气、超级电容、飞轮储能的应用及发展,以及为什么现在的混合动力汽车没有使用这些储能方式。
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压缩空气储能7 S9 w& U) z9 h  r  P
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1978年,德国建成了世界第一座示范性压缩空气蓄能电站--德国汉特福(Huntorf)压缩空⽓储能电站。
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- \! e+ a9 I6 T2 m  i- E压缩空气储能的方法就是用电能将空气压缩成高压力的空气(英国的空气储能甚至压缩成了液态空气),将之注入到大型容器或加工密闭洞穴内。在需要电能输出的时候,将储气容器(洞穴)内的高压空气通过压力阀门释放出,经换热器与油或天然气混合燃烧,导入燃气轮机做功发电。
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) U% ^9 S% B% j& H" _& q( ~德国汉特福(Huntorf)压缩空⽓储能/发电流程
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" ~6 H, F+ b  e  `, ^; v燃气轮机由压缩机、燃烧室、膨胀机构成,高压力空气和可燃气体进行混合燃烧,产生高压高温的气流,进入膨胀机做功。
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燃气轮机组成
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% `$ Z: B+ g! w& ]1 f- ?压缩空气储能方案的优点是建造、运行成本较低,可以利用地下洞穴、废弃矿井等密闭环境,经济性较好。因为空气不会燃烧、爆炸,所以环境污染小,也不像水电储能一样对地点(河流中下游)有着严苛的要求。可以有效储存电能,用于调峰(储存多余的电力)和电网应急。. b, Y" z2 Z: D4 [, M! Y. [
德国、美国均有着大型规模的空气储能站,中国则是世界上第三个实现批量性用空气储能供电的国家。7 H4 _+ U: V# R* b% j" q
2013年在河北廊坊建立的1.5兆瓦的压缩空气储能系统。! C8 r6 d7 u7 M4 z4 V3 P
2015年在安徽芜湖建立的0.5兆瓦的压缩空气储能系统。
$ O8 t4 i3 M4 W湖北应城一期投资40亿,预计2023年建成的300兆瓦级压缩空气储能项目。
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该项目建成后,储能电站年发电量可达5亿度,不仅为湖北应城电网提供调峰等辅助服务,助推应城经济转型发展,还实现了对废弃盐穴资源的再次利用,有利于当地的环境保护和资源节约,具有显著的绿色能源经济效益。
但目前的“压缩空气储能”适用于响应慢的大规模储能,其额定功率下的放电时间为1-20h,所以其漫长的响应时间,加上其规模化的基础硬件设备,是不可能应用在必须以秒为反馈的小型载具,如混合动力汽车上的。
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; A, |+ r2 K" j! {超级电容器存储
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7 O: v0 Q. R/ m+ y$ L& @常用的超级电容器是双电层电容,通常被称为EDLC(机电双层电容器),其构造和锂动力电池类似,正极/隔膜/负极排列组织。: Q& u2 k( [+ U" }0 _

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! ^3 v* p, k: q5 d, z( E$ m1 r但构造虽然类似锂动力电池,但和锂动力电池不一样,电能的存储并不需要化学反应,而是一种电荷的纯物理迁移。充电后,电能作为电荷存储在板之间的电场中。当放电时,电流从电场中快速流出。无论是充放电,理论上超级电容器都不会消耗或耗散能量。
0 d* n# K' v4 Z超级电容器储能方式实际已经用在了多种载具上,但大多都是超级电容器搭配锂动力电池使用。
4 j  U2 q2 {1 B2 Z+ h( h因为双电层电容超级电容的充放电不需要化学反应,而是直接就是电荷的迁移,所以拥有极快的充放电速度。而充电快是好事,但放电速度过快,实际并非一件好事。因为大部分载具都需要保证续航,需要储能装备源源不断地释放能量。
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. B& A9 b+ M+ O( _5 A2017年11月,世界第一艘千吨级纯电池推动载重船舶在广州整体吊装下水,填补了世界同吨位内河双电驱动散货船的空白,船上安装有重达26吨的超级电容+超大功率的锂电池,整船电池容量约为2400千瓦时,相当于约30—50台电动汽车电池容量。船舶在满载条件下,航速最高可达12.8公里/小时,续航力可达80公里。
9 ~. F% {7 x# T7 k锂动力电池负责船舶的平稳行驶(缓慢放电),而超级电容负责紧急情况的行驶(快速放电),而船舶的减速,也可以很方便快速地给超级电容充电,实现动能的回收。
. K5 s: F1 O! i- G2 T实际,混合动力汽车里面,早就使用了超级电容器+锂动力电池的储能方式。
9 n8 Q: L7 Y+ z- s* k" w% M4 ]比如制动能量回收,就可以用超级电容器来进行大电流的瞬时回收,而在需要急加速和爬坡的时候,把超级电容器的电量快速释放,可以获得短时间的大功率、大动力。- a  S) \3 z4 B' I
美国的MaxwellTechnologies是业界最知名的超级电容器生产研发的企业,截至2018年底全球有超过610万辆汽车在使用其超级电容器技术。# C8 f) f+ W8 m8 ?8 I0 \4 Q
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# c/ q2 _0 B+ Q. d! Z, q# A在2018年5月,该公司就向吉利汽车提供“超级电容器”,帮助其混动车型提高“最大功率”。' K9 \2 X& o, m7 p$ D! h- ~2 s/ u: O+ F
但超级电容器的超快放电的特性,在目前阶段,在新能源汽车上,依旧还只能是锂动力电池的辅助,还无法独自担任长续航的重任。
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" J9 P% d4 Q2 o  r, L3 M9 l/ U0 \9 c飞轮储能! Z  u% F1 b) r! k6 z$ H: E) \
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想起十多年前,自己在一家日本电子电器工厂,其中一个产品就是生产某国外的山地自行车的小型飞轮储能装置,靠制动回收来储存能量,可以供自行车照明,好处就是不受温度影响,寿命长,但容量很小,也基本存不了电。- _3 O! W4 p" F/ j6 a2 D6 v* w
言归正传,飞轮储能是旋转绕定轴旋转的转动刚体在获得电能时加速获得动能,而减速过程则会减少动能而转为电能。而如果不充放电,则是浮充状态。
4 H0 a7 n9 Y" T飞轮储能装置由飞轮、轴、轴承、电机、真空容器、电力电子变换器组成。/ S5 y; g4 \5 x. r
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$ o9 _: C+ F. a储能时,电动机带动飞轮高速旋转,电能转换为飞轮的动能。放电时,飞轮带动发电机,自身减速。无论充放电,都没有化学反应参与,也就是不存在化学环境污染问题。
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自古以来,飞轮储能、释放能量,贯穿到历史的各个阶段,从古老的纺车到蒸汽机,一直都是靠着飞轮的惯性来运作。不断给飞轮一个动能,让其不断循环,这种飞轮因为和外界的摩擦(轴承摩擦,空气摩擦),即便有着较高速度的初始动能,也会短时间内消耗殆尽,必须要外界能量才能持续运转,根本就无法储能。1 A6 n% W! z6 Z5 A  V6 z: u) x9 X
而现在飞轮所以能够依靠内部的飞轮动力储能,一个是非接触式的电磁轴承,另一个则是飞轮运行的真空环境。加上高温超导技术、高强纤维复合材料的帮助,现在的飞轮已经在储能方面进入了实用阶段。
$ V/ z9 h; C; z飞轮最早作为蓄能电池,是在20世纪的60--70年代,美国NASA首次运用在了卫星上。
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NASA研制的飞轮
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其后飞轮储能也应用在了汽车上,在保时捷918RSR,采用的是混合动力,除开发动机外,副驾驶位置还有一个飞轮储能系统。$ J/ B( r  |5 W- y3 |% [
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平心而论,如果光从技术上看,其实无论在性能指标,安全性,环保,寿命、储能密度,能量转换效率,加之体积小,重量轻,飞轮电池都很适合汽车使用。, L. @9 w0 J4 u/ y
但飞轮如果要达到高效的储能效果,基本飞轮的转速得在50,000转/分往上。这样的飞轮储能装置无论是内部、外部所用的材料都非常昂贵,否则无法承受这样的高转速。这也意味着装载在车辆上的飞轮储能设备价格的高昂,现阶段无法普及到普通汽车上面,而只能在昂贵的跑车上面尝鲜。4 r% w  `+ }4 ~4 p# C6 s, a- r
现阶段用的飞轮储能,主要应用场景还是用在了公共大型载具上,比如地铁,用于进站减速的能量回收。$ r, X9 i4 i* v7 m
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混合动力汽车为何只用电池储能,而不用飞轮、压缩空气、超级电容等方式储能?-13.jpg - h( u, P' t2 }4 \  W3 q
相比电容储能和中压逆变储能,飞轮储能有更好的节能效果,在美国地铁站使用中,能够实现20-30%的节能效果。
7 I2 S% j' J2 {# \# D- p8 V/ w综合来说,作为能装载在批量生产的混动汽车上的主要储能装置,必须要符合能量反馈快,体积小,性能稳定支持长续航,成本还要低的前提。而飞轮、压缩空气、超级电容都有着各自鲜明的特性,目前阶段来说,都无法作为混合动力汽车的主要储能装置。
. N: l+ l1 A& j参考:! i% _- d! [* L8 p/ [$ g& y- O& D
1、“https://xueqiu.com/6702987851/178090157”5 g' r; F: q0 M  Y8 |
2、”https://baijiahao.baidu.com/s?id=1706522773049943181&wfr=spider&for=pc”
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