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？

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》。
其中就讲了2021年到2035年，一共15年需要发展的储能方式。
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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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0 \% A9 X. e" j" Z压缩空气储能
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/ I! D; S' U, ^5 u) [7 A% d2 |2 H1978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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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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. Q* g: L; }; D7 [德国汉特福（Huntorf）压缩空⽓储能/发电流程
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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。



3 X* J. \8 {! L9 Y6 S燃气轮机组成

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。
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。
2013年在河北廊坊建立的1.5兆瓦的压缩空气储能系统。
  F2 R* ]- s# W: X! Y6 ^( t2015年在安徽芜湖建立的0.5兆瓦的压缩空气储能系统。
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。

超级电容器存储

$ y# w$ ]% m) q4 Z9 T& D3 b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。

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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。
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。
' Q9 g  i5 N3 ?# f  A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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1 _/ U  r7 j6 H5 J0 H2017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。
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。
$ ^/ x% B- T# E4 u, z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。
" Z" L* \7 w# D4 }/ T1 }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。
. z0 b% Y/ |. P3 |7 E; K7 u3 c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。
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# [9 I/ M; e  ^% ^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”。
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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飞轮储能

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。
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。
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。


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。
0 e$ Q+ q, D8 p8 _" {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。
5 S% B$ ?- T7 P0 q; N( I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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( M0 a+ ^. h  ~3 `; ]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。


+ Z: S3 d9 A0 l8 c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。
0 Z( Y- Q& U4 T7 f6 j1 I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。
. L" }( Y+ o5 @' N( J% o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。

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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。
0 S6 a3 n5 Q$ ]9 y( [  A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。
参考：
1、“https://xueqiu.com/6702987851/178090157”
2、”https://baijiahao.baidu.com/s?id=1706522773049943181&wfr=spider&for=pc”