电动汽车电能储存与使用

电动汽车电能储存与使用1.电能的生产发电厂是直接生产电能的部门，由于所用“燃料”的不同，发电厂的种类也不同，例如：利用矿物燃料，如煤、石油等为能源转换为电能的，称为火力发电厂；利用水能转换为电能的，称为水力发电厂；利用核能转换为电能的称为核电厂；利用风能转换为电能的称为风力发电厂。除此之外，还有地热发电厂、太阳能发电厂等等。目前，大多数国家的电能主要来自于火电、核电和风电，下面将分别介绍这三类发电厂的生产过程。1.1火力发电火力发电是利用煤、石油或天然气等燃料的化学能来生产电能的。现代化的火电厂是一个庞大而又复杂的生产电能与热能的工厂。它由下列5个系统组成。燃料系统：完成燃料输送、储存、制备的系统。燃煤电厂有卸煤设施、煤场、上煤设施、煤仓、给煤机、磨煤机等设备；燃油电厂备有油罐、加热器、油泵、输油管道等设备。燃烧系统：完成燃料燃烧过程，使燃料化学能转化为蒸汽热能的系统。主要有燃烧器、炉膛、送风机、引风机、除尘器、除灰设备等。汽水系统：完成蒸汽热能转化为机械能的系统。主要有锅炉的汽水部分、汽轮机及其辅助设备，如凝汽器、除氧器、回水加热器、给水泵、循环水泵、冷却设备等。电气系统：完成机械能转化为电能的系统。主要有发电机、主变压器、断路器、隔离开关、母线等。控制系统：完成生产过程中的参数测量及自动化监控操作的系统。在上述系统的所有设备中，最主要的设备是锅炉、汽轮机和发电机（三大主机），它们安装在发电厂的主厂房内。主变压器和配电设备一般是安装在独立的建筑物内和户外；其他辅助设备加给水系统、供水设备、水处理设备、除尘设备、燃料储运设备等，有的安装在主厂房内，有的则安装在辅助建筑中或在露天场地。图1为世界最大的单体火力发电厂——内蒙古大唐国际托克托发电公司图1火电厂电能的基本生产过程是：燃料在锅炉中燃烧加热水使其变为蒸汽，蒸汽压力推动汽轮机旋转，然后汽轮机带动发电机旋转，将机械能转变为电能。电能生产需要经过三次能量转换过程。1.2核电核能发电主要是利用重核裂变使核能转变为热能，这一过程是在核反应堆中完成的。因此，核反应堆是核电站的热力来源，它替代了火电厂的蒸汽锅炉。核电站的建设需要巨大的投入，但运行成本低，使用寿命长，是最经济环保的技术之一。核能发电所造成的污染最少，在建设过程中和燃料处理过程中会排放大量二氧化碳，在电能生产过程中则不会。1.核反应堆2.增压器3.反应堆冷却剂泵4.蒸汽发生器5.汽轮机和发电机6.电网7.用户8.海水冷却系统图2核电站一个完整的核电系统是由核反应堆、增压器、反应堆冷却剂泵、蒸汽发生器、汽轮机和发电机、电网、用户和海水冷却系统组成，如图1-13所示。核反应堆是一个装有燃料棒的密闭容器，当中子撞到铀原子，铀原子进行一系列分裂，释放出两个或三个以上的中子，在这个过程中，原子中的核能量转化为热能。碰撞分裂产生的中子又会撞到其他铀原子，重复之前的过程，由此产生的连锁反应释放出巨大的热量。核电站有管道内和管道外两套循环系统，管道内的水流过反应堆被连锁反应释放出的热量加热到300°C，这些水用于加热。为了防止管道中的水因沸腾变成水蒸汽,增压器将压力增大到155个大气压。这些高压热水由反应堆冷却剂泵推送到蒸汽发生器,再经过数以千计的循环管道流回反应堆。另有一部分水从蒸汽发生器里的循环管道外面流过，它们的压力要低得多，由装有高压热水管道传输过来的热量将它加热为蒸汽。蒸汽经过一系列汽轮机组，推动他们旋转，从而将热能转化为机械能。汽轮机与发电机通过轴承连接，将机械能转化为电能。变压器将发电机产生的电能变成高压电，然后经电网传输给用户。蒸汽经过汽轮机后，进入冷却系统，这个系统里面布满管道，管道中装有从大海中抽取的海水，蒸汽经冷却变回液态，回到蒸汽发生器，然后可以进行再次加热，变成蒸汽，带动汽轮机旋转。图3广东大亚湾核电站由于冷区系统需要大量的冷水，核电站一般建在海边或河边。图3为位于广东的大亚湾核电站。1.3风电早在3000多年前，人类就已经开始使用风力研磨谷物和从地下抽水，利用风力进行海上航行可以追溯到更早的时间，但使用风车发电是近几百年的事。世界上第一台风机是由苏格兰科学家雅各·布莱斯于1887年组装完成。由于风机结构复杂，电力输出不稳定，并网困难，而且电能难以储存，在很长一段时间内，风力发电只用于局部供电。20世纪90年代之后，随着能源危机的加剧和环境保护的需要，很多国家，尤其是欧洲和北美加大了对风能研发技术的投入，风力发电得到了较快的发展。截止到2016年底，全球风力发电装机总量已达到486,790MW，比上一年增长12.5%。图4为位于苏格兰北海的世界首个海上浮式风电场。在我国，风力发电虽然最近几年有了较大发展，但在电力结构中所占的比例仍然非常小。图4苏格兰海上浮式风电场由图5所示，一个垂直型风机通常由塔架、叶片、转子、传动轴、发电机、控制器和一些辅助设备组成。塔架起到固定风机的作用，风力带动叶片旋转，叶片通过转子和低速转轴与发电机连接，完成从机械能到电能的转换，控制器针对不同风速，对发电机实施不同控制策略，保持输出电能的平稳性。图5风机结构2.电动汽车高压电能储存与使用通常，电动汽车有纯电动汽车(PureElectricVehicle,PEV)、混合动力汽车(HybridElectricVehicle,HEV)、燃料电池电动汽车(FuelCellElectricVehicles,FCEV)三种类型，近几年混合动力汽车中的外接充电式(Plug-In)混合动力汽车(ParallelHybridElectricVehicle,PHEV)特别受到关注，国内外专家认为，PHEV有望在几年后得到广泛的推广使用。本章主要关注纯电动汽车，纯电动汽车由蓄电池、控制器、电机和驱动轴等部分组成，完全是由动力蓄电池提供电力驱动，见图6。蓄电池通过控制器将电能传递到电机，电机将电能转化为机械能，传递给驱动轴，驱动轴带动车轮转动。下面分两部分介绍电动汽车的储能系统和充电技术。图6电动汽车结构2.1电动汽车储能系统动力电池按材料来分，可分为铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池和锂电池，如图7所示。图7动力电池分类铅酸电池由于自身性能限制了动力电源的发展且存在铅污染，逐渐退出市场；镍镉存在镉污染，记忆效益严重，也基本退出动力电池市场；镍氢电池是镍镉电池的改进，具有比能量高、充电速度快、基本无记忆效应、无环境污染，安全性高等特点，但是镍氢电池制造成本较高,大量推广遇到很大困难。锂离子电池技术发展很快，近10年来比能量已经从100Wh/kg增加到了180Wh/kg，比功率可达2kW/kg，循环寿命达1000次以上，工作温度范围达-40~55℃。近年由于磷酸铁锂离子电池的研发有重大突破，又大大提高了电池的安全性，因此目前已有许多发达国家将锂离子电池作为电动汽车用动力电池的主攻方向。我国拥有锂资源优势，2004年锂电池产量已占全球市场的37.1%，预计到2015年以后，锂离子电池的性价比有望达到可以和铅酸电池竞争的水平，而成为未来电动汽车的主要动力电池。电池决定了电动汽车的行驶里程、加速能力和充电时间。电动汽车的电池由很多节电池组成，一节电池通常包含四个主要部分：正极、负极、电解液和隔膜。当电池放电的时候，正极从外电路接收电子，负极向外电路提供电子，隔膜是一种特殊的复合膜，它的功能是隔离正、负极，阻止电子穿过。一节电池的电量是固定的，但它的容量取决于所包含的活性材料的多少，单个电芯的电量从几安培到几千安培不等，电池的电量就是它所能提供的电子数目，电流是单位时间内通过导体的电子数目，那么容量就是电流乘以时间，单位为安培时。2.2电动汽车充电技术按照控制充电速率方式的不同，电动汽车有多种充电方式。恒压充电图8恒压充电恒定电压加在电池上，从图8可以看出,开始电池电量很低时，充电电流最高,随着电量的增加，电流减下，当电池接近充满时，电流降到最小值。恒压充电所需要的电子装置相对简单，因此价格低廉。恒流/恒压充电图9恒流/恒压充电如图9所示，在一个充电循环的开始使用恒定高电流，当电池电压达到一定值时，改为恒压控制，这种充电方式可以通过减少充电过程中的热量来延长电池寿命，提高电池性能。脉冲充电施加一系列的高电流和高电压脉冲直到电池电压达到设定值。能够极大地减少充电时间，效率更高。充电方式很多选择，电动汽车厂家会根据所配置的电池情况提供最合适的充电方式。（a）嵌入式充电（充电器内置）(b)嵌入式充电（充电器外置）(c)电磁感应充电图10电动汽车充电方式电动汽车的充电器可以装在车内或者车外，这两种方式有各自的优缺点。如果充电器安装在车内，可在任何装有插座的地方充电，但缺点是电力输出受限于车辆本身的大小和重量。车外充电的功率输出只受限于电池本身的充电能力。有两种方式将电网、充电器和电动汽车充电口连接起来，第一种是传统嵌入式充电，又叫传导充电，包括充电器内置和外置两种方式，如图10(a)和(b)所示，电动汽车直接连接到充电桩进行充电。第二种充电方式称为电磁感应充电，这是一种无线能量传递技术，如图10(c)所示，汽车底盘和地面分别装有感应线圈，能量通过线圈之间的磁场由地面传输到电动汽车。2.3电动汽车制动能量回收技术在电动汽车中，作为动力装置的电动机同时也具有发电功能，利用这一功能，可以实现电动机的再生制动。在制动过程中，整车的惯性能量可以传递到电动机，从而带动电动机转动，此时，电动机转化为发电机，向动力电池充电，将制动能量转化为电能，储存在动力电池中，实现了能量的再生利用。同时，电机产生的制动力矩还可以作用于车轮，对车轮施加制动力，从而达到使车辆减速的效果。