2.1 动力电源

动力电源主要是根据电源的储能方式进行分类的，目前动力电源的储能技术主要有化学储能、物理储能和电磁储能三大类。

化学储能通过提升化学材料的应用范围，提高能量密度，实现其产业化应用，而各类电化学储能电池在生产和研究中具有不同的技术路线和应用方向。当前，主要的电化学储能电池有铅酸蓄电池、镍基蓄电池、锂离子蓄电池、钠硫蓄电池、锌空蓄电池和超级电容器等。

物理储能主要是指抽水蓄能、压缩空气储能和飞轮储能等，具有环保、绿色的特点。其利用天然资源来实现，有规模大、循环寿命长和运行费用低等优点，但需要特殊的地理条件和场地，建设局限性较大，且一次性投资费用较高，故不适合较小功率的离网发电系统。典型的物理储能动力电源有飞轮电池等。

电磁储能包括超导线圈和超级电容器等。其中，超导储能（Superconducting Magnetic Energy Storage,SMES）采用超导体材料制成线圈，利用电流流过线圈产生的电磁场来储存电能。由于超导线圈的电阻为零，故电能储存在线圈中几乎无损耗，储能效率高达95%。超导储能装置结构简单；没有旋转机械部件和密封问题，因此设备寿命较长；储能密度高，可做成较大功率的系统；响应速度快（1～100 ms），调节电压和频率快速且容易。

1．铅酸蓄电池

铅酸蓄电池又称为铅酸水电池，其电极由铅和铅的氧化物构成，电解液为硫酸的水溶液，一个单格铅酸蓄电池的标称电压为2.0V，能放电到1.5V、充电到2.4V。在应用中，经常用6个单格铅酸蓄电池串联起来组成标称为12V的铅酸蓄电池。此外，还有24V、36V和48V等规格。

铅酸蓄电池的主要优点是电压稳定、价格便宜；缺点是比能量（即每千克蓄电池存储的电能）低、使用寿命短和日常维护频繁。

12V铅酸蓄电池最明显的特征是顶部有6个可拧开的塑料密封盖，上面有通气孔，如图2-1所示。这些密封盖用于加注、检查电解液和排放气体。理论上，铅酸蓄电池需要在每次保养时检查电解液的高度。但随着蓄电池制造技术的进步，铅酸蓄电池已发展为铅酸免维护蓄电池，即在使用中无须添加电解液或蒸馏水，利用充电和放电达到水分解循环。目前，普通铅酸蓄电池大多应用在三轮车上，而免维护电池应用范围则更广，包括不间断电源和普通燃油（气）客车及新能源（电动）客车上的照明和低压控制电源。由于其与锂离子蓄电池相比，能量密度较低，因此尚无法在新能源（电动）汽车上作为动力电源使用。

2．镍基蓄电池

镍基蓄电池主要包括镍镉蓄电池、镍锌蓄电池和镍氢蓄电池三种。

镍镉蓄电池的比能量可达55Wh/kg，比功率超过190W/kg，可快速充电，循环使用寿命长（＞2 000次），自放电率低（＜0.5%/d），但成本高（约为铅酸蓄电池的2～4倍），且镉为剧毒物，会污染环境。镍镉蓄电池放电时若不予以完全放电，而是以特定的放电深度来重复充、放电的话，那么在反复充、放电几次之后，会因为每次放电电池都有残余容量，使得电池有记忆现象而将此放电终止电压的值记住。当电池不再只以此放电深度来放电，电压逐渐下降至超过被记住的电压值时，电池电压会突然间崩溃性地急速下降，然后才又继续慢慢地下降，这种现象称为记忆效应。记忆效应在周围温度高时比较明显，使用较低充电电流时也会有记忆效应。记忆效应形成之后，若要消除其所造成的影响，必须对电池做一两次完全充放电。

镍锌蓄电池的比能量高（可达65Wh/kg），比功率高（300W/kg），成本低（低于镍镉蓄电池），但循环寿命偏短（大约为300次）。

镍氢蓄电池和镍镉蓄电池一样，同属于碱性蓄电池，其特性和镍镉蓄电池相似，但镍氢蓄电池不含镉、铜，不存在重金属污染问题。随着镍氢蓄电池技术的发展，其比能量已超过80kWh/kg，循环使用寿命有可能超过 500 次。镍氢蓄电池正极的活性物质为 NiOOH（放电时）和 Ni（OH）2（充电时），负极板的活性物质为 H2（放电时）和 H2O（充电时），电解液采用30%的氢氧化钾溶液。充电时，负极析出氢气，储存在容器中，正极由氢氧化亚镍变成氢氧化镍（NiOOH）和水（H2O）；放电时氢气在负极上被消耗掉，正极由氢氧化镍变成氢氧化亚镍。图2-2所示为一款镍氢蓄电池的结构。

我国有世界上连续化带状泡沫镍的最大生产基地，有一大批从事新能源客车镍氢蓄电池的研究开发单位，其中有色金属研究院等单位的镍氢蓄电池样品基本指标已接近国际先进水平，基本达到车用要求。但由于工艺问题，目前电池的均匀一致性较差，故在车用电池领域已绝大部分被锂离子蓄电池所取代。

3．锂离子蓄电池

根据锂离子蓄电池所用电解质材料不同，将其分为液态锂离子蓄电池和聚合物锂离子蓄电池两大类，如图2-3所示。其中，液态锂离子蓄电池是指Li+嵌入化合物为正、负极的二次电池。正极采用锂化合物LiCoO2、LiNiO2或LiMn2O4，负极采用锂—碳层间化合物LixC6。

典型的电池体系为：（-）C | LiPF6—EC+DEC | LiCoO2（+），其工作原理如图2-4所示。

正极反应：LiCoO2=Li1-xCoO2+xLi++xe-

负极反应：6C+xLi++xe-=LixC6

电池总反应：LiCoO2+6C=Li1-xCoO2+LixC6

聚合物锂离子蓄电池的原理与液态锂离子蓄电池相同，主要区别是电解液不同。电池主要的构造包括正极、负极与电解质三项要素。所谓的聚合物锂离子蓄电池是指在这三种主要构造中至少有一项或一项以上使用高分子材料作为主要的电池构件。而在目前所开发的聚合物锂离子蓄电池系统中，高分子材料主要应用于正极及电解质。正极材料包括导电高分子聚合物或一般锂离子蓄电池所采用的无机化合物，电解质则可以使用固态或胶态高分子电解质，或有机电解液。一般锂离子技术使用液体或胶体电解液，因此需要坚固的二次包装来容纳可燃的活性成分，这既增加了质量，同时也限制了尺寸的灵活性。而聚合物锂离子工艺中没有多余的电解液，因此更稳定，也不易因电池的过量充电、碰撞或其他损害以及过量使用而造成危险。

锂离子蓄电池的能量密度已达到铅酸蓄电池的3～4倍，镍氢蓄电池的2倍，且循环寿命也较长，性能价格比明显优于镍氢蓄电池，被认为是最有希望的新能源客车用蓄电池。目前，市场上推出的混合动力汽车、插电式混合动力汽车以及纯新能源（电动）汽车基本上都采用了锂离子蓄电池。

4．钠硫蓄电池

钠硫蓄电池由美国福特（Ford）公司首先发明公布，其比能量高，可大电流、高功率放电。随后，日本东京电力公司（TEPCO）和NGK公司合作开发钠硫蓄电池作为储能电池，其应用目标瞄准电站负荷调平、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。

钠硫蓄电池以钠和硫分别用作阳极和阴极，Beta—氧化铝陶瓷同时起隔膜和电解质的双重作用。其结构和工作原理如图2-5所示。

（-）Na(l)/Beta—氧化铝/Na2Sx(l)/C（+）

基本的电池反应为：2Na + xS= Na2Sx

钠硫蓄电池的特性如下。

（1）理论比能量高。钠硫蓄电池的理论比能量高达760 Wh/kg，且没有自放电现象，放电效率几乎可达100%。

（2）单体电池储能量大。钠硫蓄电池的基本单元为单体电池，用于储能的单体电池最大容量达到650 Ah，功率在120 W以上。将多个单体电池组合后形成模块，模块的功率通常为数十千瓦，可直接用于储能。

（3）技术成熟。钠硫蓄电池在国外已是发展相对成熟的储能电池，其使用寿命可达10～15年。

钠硫蓄电池已被美国福特汽车公司的新能源客车 Mnivan 使用，并被美国先进电池联合体（USABC）列为中期发展的新能源客车蓄电池。德国ABB公司生产的B240K型钠硫蓄电池，其质量为17.5 kg，蓄电量为19.2 kW·h，比能量达109 Wh/kg，循环使用寿命1 200次。由于目前该电池工作温度高，使用寿命尚达不到要求，且其安全性还有待评估。

5．锌空蓄电池

锌空蓄电池靠金属锌和空气在特种电解质作用下发生化学反应来获得电能，其实物如图2-6所示。锌空蓄电池的容量比其他电池高3～10倍，具有工作电压平稳、杂音小等优点。但从严格意义上来讲，它并不是蓄电池，而是利用锌和空气直接发电。在电池用完后，只需要更换封装好的锌粉（在几分钟内完成）即可。

锌空蓄电池由阳极、阴极、电解液、隔离层、绝缘和密封衬垫及外壳等组成，其结构示意图如图2-7所示。成糊状的锌粉在阴极，起催化作用的碳在阳极，电池壳体上的孔可让空气中的氧进入腔体附着在阳极的碳上，同时阴极的锌被氧化，这一化学反应与小型银-氧或汞氧电池的化学反应类似。

锌空蓄电池的工作原理如下。

阴极：Zn + 2OH-= ZnO + H2O + 2e-

阳极：O2+ 2H2O + 4e-= 4OH

综合：2Zn + O2= 2ZnO

通常这种反应产生的电压为1.4 V，但放电电流和放电深度可能引起电压变化，空气必须能不间断地进入到阳极。在正极壳体上开有小孔，以便氧气源源不断地进入才能使电池产生化学反应。

锌空蓄电池的特性如下。

（1）比能量高。比能量约275Wh/kg，为锌锰蓄电池的4～5倍。

（2）体积小，质量轻（空气电极的活性物质不在电池内部），容量大。

（3）内阻小。由于内阻小，故其大电流放电和脉冲放电性相当好。

（4）储存寿命长。

（5）使用温度范围广。最佳工作温度0～50℃，能在-40～60℃下工作。

（6）工作电压平稳。

（7）使用安全，对生态环境污染小。

锌空蓄电池可以作为充电电池运用于电动车行业，如电动自行车、电动助动车和摩托车，电动出租车以及电动城市公交客车等。其原因是锌空气燃料电池解决了现有电池在电动车辆应用方面所存在的主要问题：比能量达到200Wh/kg，约为现有市场上铅酸蓄电池比能量的6倍，使电动车续航里程可达200km以上；单位成本可与铅酸蓄电池相比，具有很好的市场性价比；在能源再生体系中可保证对环境无污染。

但是，锌空蓄电池内部含有高浓度的电解质（氢氧化钾，具有强碱性和强腐蚀性），一旦发生渗漏，将腐蚀电池附近部件，且这种腐蚀可能是不可修复和致命的。此外，电池上有孔，电池在激活使用后存放时间又很短，所以锌空蓄电池较易发生电池漏液。因其比功率小、不能输出大电流，所以在新能源客车实际运用中常与其他蓄电池共同使用。由于不是充电，而是添加燃料“锌”，所以废液处理成本是制约其发展的瓶颈。近年来，锌空蓄电池的发展引人注目，其主要优势是废液处理方法简单，成本低。

6．飞轮蓄电池

飞轮蓄电池是20世纪90年代才提出的新概念，其突破了化学电池的局限，飞轮旋转采用物理方法实现储能。其结构和工作原理示意图如图2-8所示。

飞轮蓄电池结构主要包括飞轮转子、电机定子、电池轴承和高真空室。电力电子变换装置从外部输入电能驱动电机旋转，电机带动飞轮旋转，飞轮储存动能（机械能），当外部负载需要能量时，用飞轮带动发电机旋转，将动能转化为电能，再通过电力电子变换装置变成负载所需要的各种频率、电压等级的电能，以满足不同的需求。由于输入、输出是彼此独立的，故在设计时常将电机和发电机用一台电机来实现，输入输出变换器也合并成一个，这样就可以大大减少系统的大小和质量；同时，由于在实际工作中，飞轮的转速可达40 000～50 000r/min，一般金属制成的飞轮无法承受这样高的转速，所以飞轮一般都采用碳纤维制成，既轻又强，进一步减轻了整个系统的质量；为了减少充、放电过程中的能量损耗（主要是摩擦力损耗），电机和飞轮都使用磁轴承，使其悬浮，以减少机械摩擦；将飞轮和电机放置在真空容器中，以减少空气摩擦。这样，飞轮蓄电池的净效率（输入/输出）可达95%左右。

实际使用的飞轮装置中主要包括飞轮、轴、轴承、电机、真空容器和电力电子变换器等部件。其中，飞轮是整个电池装置的核心部件，它直接决定了整个装置的储能多少（储存的能量由公式E=jω2决定，式中j为飞轮的转动惯量，与飞轮的形状和质量有关；ω为飞轮的旋转角速度）。

电力电子变换器通常是由金属—氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）和绝缘栅双极型晶体管（IGBT）组成的双向逆变器，它们决定了飞轮装置能量输入、输出的大小。

飞轮蓄电池体积小、质量轻、充电快、寿命长，其使用寿命达25年，理论上可供新能源客车行驶总里程达5×106km。但将其用作新能源汽车的能量源仍面临两大问题，即当车辆转弯或产生颠簸偏离直线行驶时，飞轮将产生陀螺力矩，从而严重影响车辆的操纵稳定性；若飞轮出现故障，以机械能形式存储在飞轮中的能量就会在短时间内释放出来，大功率输出将导致车辆损坏。因此，超高速飞轮在电动汽车上使用将面临结构可靠性、充电、自放电、噪声以及振动等方面的问题，需要进一步改进和完善。

7．超级电容器

超级电容器，又名电化学电容器、双电层电容器、黄金电容和法拉电容等，如图2-9和图2-10所示。超级电容器不同于传统的化学电源，是一种介于传统电容器与电池之间、具有特殊性能的电源，主要依靠双电层和氧化还原假电容电荷储存电能。其在储能的过程中并不发生化学反应，且这种储能过程是可逆的，也正因为如此，超级电容器可以反复充放电数十万次。其基本原理和其他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构获得超大容量。

超级电容器的突出优点是功率密度高，充、放电时间短，循环寿命长和工作温度范围广，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。

超级电容的电流是在电极/电解液界面通过电子或离子的定向排列造成电荷的对峙而产生的，如图2-11所示。对一个电极/溶液体系，会在电子导电的电极和离子导电的电解液界面上形成双电层。当在两个电极上施加电场后，溶液中的阴、阳离子分别向正、负电极迁移，在电极表面形成双电层；撤销电场后，电极上的正负电荷与溶液中的相反电荷离子相互吸引而使双电层稳定，在正负极间产生相对稳定的电位差。这时对某一电极而言，会在一定距离内（分散层）产生与电极上的电荷等量的异性离子电荷，使其保持电中性；当将两极与外电路连通时，电极上的电荷迁移而在外电路中产生电流，溶液中的离子迁移到溶液中呈电中性，这便是双电层电容的充放电原理。

超级电容器电池作为一种新型储能装置，具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点。超级电容器用途广泛，可用作起重装置的电力平衡电源，提供超大电流的电力；用作车辆启动电源，启动效率和可靠性都比传统蓄电池高，可以全部或部分替代传统蓄电池；用作车辆的牵引能源可以生产电动汽车、替代传统的内燃机、改造现有的无轨电车，如图2-12所示。

纵观新能源客车动力源的选择，在传统充电蓄电池技术上，国外有一种看法认为改进型铅酸蓄电池（主要指双极性、亚双极性水平电池）和聚合物锂离子蓄电池是发展方向。由于改进型铅酸蓄电池成本低、运行可靠，因此是目前使用较多的启动电池。而聚合物锂离子蓄电池的性能价格有望达到市场化的指标，是未来可以实现且市场能够接受的电池。镍氢蓄电池技术日趋成熟，在锂类电池技术成熟以前，有一定的市场前景。对钠硫蓄电池、钠氯化镍蓄电池以及锌空蓄电池等新型电池的发展，业界寄予厚望，但目前钠硫蓄电池、钠氯化镍蓄电池的技术还不够成熟，安全性也有待评估。特别是近年来，在燃料电池技术发展的影响下，这些新型电池的发展已显得不那么备受瞩目了。