电量储存单元优化方案

电量储存单元是油电混合/纯电动移动工程机械/车辆的动力源，是能量的储存装置，也是目前制约移动式新能源工程机械/车辆发展的最关键因素。要与传统燃油移动工程机械/车辆相竞争，关键是突破储能单元的难题。因此，开发出能量密度高、功率密度大、循环使用寿命长、均匀性一致、高低温环境适应性强、安全性好、成本低以及绿色环保的储能单元对未来工程机械/车辆的发展至关重要。

按发电原理不同，电量储存单元可以分为化学电池、超级电容和生物电池三大类。到目前为止已经实用化的动力蓄电池有属于化学电池范畴的传统铅酸蓄电池、镍镉电池、镍氢电池、燃料电池和锂离子电池等，属于物理反应范畴的主要是超级电容。此外，诸如酶电池、微生物电池、生物太阳电池等生物电池的研发已进入重要发展阶段。电池的性能指标有容量、电压、能量、内阻、功率、自放电率、输出效率和使用寿命等，根据电池种类不同，其性能指标也有所不同。

近年来随着纯电动汽车的发展，电池本身的技术也有显著的提升。许多新型电池，相继出现在人们的视野。比如水溶液可充的锂电池-水锂电池、锂硫电池、可充电液体电池、金属空气电池等，新型电池只是为将来的电动汽车发展提供了美好的前景，但由于技术条件不成熟或成本等原因，目前还不能大面积地推向市场，更不能广泛地运用到电动汽车行业。下面介绍几种常用的典型动力电池和超级电容。

（1）铅酸电池

铅酸电池是应用历史最长、成本最低、最成熟的蓄电池。1859法国人普兰特（Plante）发明了铅酸电池。现在路上行驶的几乎95%的两轮电动车都在使用它提供动力。工程机械上发动机的起动电池也几乎是铅酸电池，它已实现大量生产，但其能量密度较低，所占的质量和体积太大，且自放电率高、循环寿命低，不适合现代的新能源系统使用。随着铅酸蓄电池技术的发展，尤其是第三代阀控式密封铅酸蓄电池的成功研制，能量密度提高到了60W·h/kg，功率密度达到500W/kg，循环寿命大于900次，极大地提高了现代新能源系统的使用适应性。

铅酸蓄电池未来仍需要突破以下三个方向：一是提高循环寿命的次数，进而延长使用寿命；二是注意废电池的二次污染，严格控制铅酸蓄电池的生产和使用后的回收处理，一些有效的新的回收技术应当工程化和产业化；三是提高能量密度、功率密度以及其他电池性能，才能在前景广阔的新能源系统中充分发挥作用。

（2）镍氢电池

镍氢电池是20世纪80年代Stanford Ovshinsky发明的，是世界各国竞相发展的一种高科技产品，具有高能量密度、长寿命和无污染等优点。相对铅酸蓄电池，镍氢电池的能量密度提高了3倍左右，功率密度提高了10倍左右。但是镍氢电池的SOC实际的利用范围很小，以至于镍氢电池储存的大部分能量并没有被实际使用。近年来，虽然镍氢电池在技术上取得了较大的突破，但是仍然存在不少的因素制约其实际应用，比如高温性能、储存性能、循环寿命、电池组管理系统、热管理系统和价格等方面的因素。

（3）锂离子电池

1990年日本索尼公司首先推出了新型高能蓄电锂电池。锂离子电池的类型很多，其区别主要体现在正负极材料上，通常根据特色的正极材料或负极材料对锂离子电池进行命名。目前常用的正极材料有钴酸锂（LiCoO2，LCO）、锰酸锂（LiMn2O4，LMO）、磷酸铁锂（LiFePO4，LFP）、镍钴锰三元锂（LiNixCoyMn1-x-yO2，NCM）和镍钴铝三元锂（LiNixCoyAl1-x-yO2，NCA）。大多数锂电池采用石墨负极材料，有些电池也采用钛酸锂材料（Li4Ti5O12，LTO）。不同材料的锂离子电池在能量密度、循环寿命、温度特性和热安全性上有较大差距，各种电池的性能比较参见表4-1。

表4-1 不同类型锂电池的性能比较^[1]

与其他蓄电池相比，锂离子电池具有能量密度高、电压高、充放电寿命长、无污染、无记忆效应、快速充电、自放电率低、工作温度范围宽和安全可靠等优点，是目前为止较为理想的动力电源。与镍氢电池相比，锂离子电池的优势在于实现了电池的小型化和轻量化，因为目前使用的锂离子电池每个单元的电压均为3.6V，是单元电压1.2V的镍氢电池的3倍。此外锂离子电池正极和负极的活性物质容易以较薄的厚度涂布在极板上，由此可以降低内阻。锂离子电池的功率密度为3550～4000W/kg，是镍氢电池的3倍以上，因此能够大大减小电池的质量和体积。

锂离子电池要大量应用仍然存在多种性能的限制，包括锂离子电池的安全性、充放电寿命、成本、工作温度和材料供应、电池管理系统中的一些不成熟技术（如均衡充电技术）等。

（4）燃料电池(www.xing528.com)

燃料电池是一种化学电池，它直接把物质发生化学反应时释放的能量变换为电能，工作时需要连续地向其供给活物质——燃料和氧化剂。燃料电池一般包括质子交换膜燃料电池、磷酸燃料电池、碱性燃料电池、固体氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池等^[1]。额定工作条件下，一节单电池工作电压仅为0.7V左右，为了满足一定应用背景的功率需求，燃料电池通常由数百个单电池串联形成燃料电池堆或模块。因此，与其他化学电池一样，燃料电池的均一性非常重要。

国际先进燃料电池的功率密度已经达到650W/kg。燃料电池的能量密度极高，接近于汽油和柴油的能量密度，几乎零污染，是未来动力能源的发展方向。但是燃料电池需要贵金属铂作为催化剂，且在持续使用的过程中储存和运输氢的条件非常严格，目前还没有低成本制氢技术，燃料电池的制作成本十分昂贵，暂时无法产业化。

（5）石墨烯电池

近年来，利用锂离子在石墨烯表面和电极之间可以快速大量穿梭运动的特性，新开发出了一种可以将充电时间从数小时缩短到不到一分钟的新型储能设备——石墨烯表面锂离子交换电池。这种新型储能设备集中了锂离子电池和超级电容的优点，同时兼具高功率密度和高能量密度的特性：功率密度达到100kW/kg，比商业锂离子电池高100倍，比超级电容高10倍，功率密度高，能量转移率就高，就能大大缩短充电时间；其能量储存密度达到160W·h/kg，与商业锂离子电池相当，比传统超级电容高30倍，能量密度越大，储存的能量就越多，保证了电动机械的续航时间。由此看出，石墨烯电池具有良好的储能性质和良好的应用前景，但石墨烯的研究尚待深入，需要进一步系统研发，解决其中的一些科学问题和工艺问题，才能成为市场潜力巨大的电极材料。

（6）钠硫电池

钠硫电池是美国福特（Ford）公司于1967年首先发明公布的。

电池通常是由正极、负极、电解质、隔膜和外壳等几部分组成。一般常规二次电池如铅酸电池、镉镍电池等都是由固体电极和液体电解质构成，而钠硫电池则与之相反，它是由熔融液态电极和固体电解质组成的，构成其负极的活性物质是熔融金属钠，正极的活性物质是硫和多硫化钠熔盐。由于硫是绝缘体，所以硫一般填充在导电的多孔炭或石墨毡里，固体电解质兼隔膜的是一种专门传导钠离子被称为Al₂O₃的陶瓷材料，外壳则一般用不锈钢等金属材料。

钠硫电池具有许多特色之处：一个是能量密度（即电池单位质量或单位体积所具有的有效电能量）高。其理论能量密度为760W·h/kg，实际已大于1000W·h/kg，是铅酸电池的3～4倍。如日本东京电力公司（TEPCO）和NGK公司合作开发的钠硫电池作为储能电池，其应用目标瞄准电站负荷调平（即起削峰平谷作用，将夜晚多余的电存储在电池里，到白天用电高峰时再从电池中释放出来）、UPS应急电源及瞬间补偿电源等，并于2002年开始进入商品化实施阶段，已建成世界上最大规模（8MW）的储能钠硫电池装置，截至2005年10月统计，年产钠硫电池电量已超过100MW，同时开始向海外输出。另一个特色是可大电流、高功率放电。其放电电流密度一般可达200～300mA/cm²，并瞬时间可放出其3倍的固有能量；再一个是充放电效率高。由于采用固体电解质，所以没有通常采用液体电解质二次电池的那种自放电及副反应，充放电电流效率几乎达100%。当然，事物总是一分为二的，钠硫电池也有不足之处，其工作温度为300～350℃，所以，电池工作时需要一定的加热保温。但采用高性能的真空绝热保温技术，可有效地解决这一问题。

钠硫电池作为新型化学电源家族中的一个新成员出现后，已在世界上许多国家受到极大的重视和发展。由于钠硫电池具有高能电池的一系列诱人特点，所以一开始不少国家就首先纷纷致力于发展其作为电动汽车用的动力电池，也曾取得了不少令人鼓舞的成果，但随着时间的推移表明，钠硫电池在移动场合下（如电动汽车）使用条件比较苛刻，无论从使用可提供的空间、电池本身的安全等方面均有一定的局限性。所以在80年代末和90年代初开始，国外重点发展钠硫电池作为固定场合下（如电站储能）应用，并越来越显示出其优越性。

钠硫电池已经成功用于削峰填谷、应急电源、风力发电等可再生能源的稳定输出以及提高电力质量等方面。目前在国外已经有上百座钠硫电池储能电站在运行，是各种先进二次电池中最为成熟和最具潜力的一种。

（7）超级电容

1957年，美国人Becker发表了关于超级电容的专利。超级电容是一种具有超强储电能力、可提供强大二次脉冲功率的物理二次电源，它是介于蓄电池和传统静电电容之间的一种新型储能装置。超级电容具有极高的功率密度，是一般蓄电池的数十倍以上；循环寿命长，没有记忆效应；充电速度快，可以大电流进行充电，充电10s～10min可达到其额定容量的95%以上；此外还具有工作温度范围宽，充放电控制线路简单以及绿色环保等优点。

虽然超级电容具有上述诸多优点，但是其自身也存在以下缺点：一是，随着放电的过程中，超级电容的自身电压会逐渐降低，放电电流也会逐渐降低，导致超级电容很难完全放电；二是能量密度相对其他化学能源低很多；三是超级电容单体电压低，需要多个电容串联才能提升整体电压等级；四是高自放电率，它的自放电速率比化学电源要高。

超级电容的极具爆发力却又持久力不足的特性就决定了其适用于工况负载剧烈波动的车辆中作为辅助能源存在，而不能作为唯一能源使用。