2.1 储能装置的分类和工作原理

2.1.1 储能装置的分类

储能装置的分类如图2-1所示，储能装置可分为机械储能装置、电化学储能装置和电磁储能装置3类。

1.机械储能装置

机械储能的原理是将电能转化为动能、势能或内能（从严格意义上讲，内能不属于机械能）等形式，并在需要时转化为电能进行输出。典型的机械储能装置包括抽水蓄能电站、压缩空气储能装置和飞轮储能装置，其储能介质分别是水的势能、压缩空气的内能及高速转动飞轮的动能。显然，抽水蓄能电站不适用于电动汽车，一般应用于电网的调峰；压缩空气储能装置和飞轮储能装置曾在混合动力汽车中有初步应用，但是受限于转化效率、功率、能量密度及安全性等，目前其基本淡出汽车领域[1]。

2.电化学储能装置

电化学储能的原理是依据电化学反应，将电能转化为化学能进行存储，并在需要时转化为电能进行输出。电化学储能装置包括一次电池和二次电池。一次电池又称“原电池”，其电化学反应不可逆，不能再次充电，在内部的化学物质全部起作用后会被废弃。显然，一次电池不适用于电动汽车，一般应用于玩具、遥控器、军用设备等。二次电池可反复充电、循环使用，根据其主要化学材料，可分为铅酸电池、镍基电池、锂基电池、液流电池和新型电池。

1859年，法国物理学家普兰特发明了铅酸电池（Lead Acid Battery），铅酸电池技术成熟、性能可靠、成本低、维护方便。其内阻较小，可满足大电流放电需要，可以作为UPS、汽车电源、通信基站后备电源，广泛应用于电动自行车、低速电动汽车等领域。在所有电池中，铅酸电池的生产规模最大，作为汽车启动电池的铅酸电池全球年产量达10亿个，每年生产铅酸电池消耗的铅高达200万吨，占全球铅总产量的50%以上[2]。目前，铅酸电池的能量密度为50～70W·h/kg，循环寿命约为500次，阀控式密封铅酸电池的循环寿命可达1000～1200次，自放电率为每月3%～20%，寿命一般不超过5年，难以满足电动汽车对高能量密度、低自放电率的需求，以及对循环寿命的高要求。目前铅酸电池主要应用于低速电动汽车。

镍基电池主要包含镍镉电池（Ni-Cd Battery）、镍铁电池（Ni-Fe Battery）和镍氢电池（Ni-MN Battery）。1899年，瑞典科学家Waldemar Jungner发明了镍镉电池；1901年，美国电学家爱迪生发明了镍铁电池。镍镉电池的优点是放电时电压变化不大，充电为吸热反应，内阻小。与镍氢电池和锂离子电池相比，其对轻度过充过放的容忍度较大。镍镉电池曾广泛应用于便携式电子产品、玩具，也于20世纪70年代至80年代作为电动汽车动力电池，其主要缺点是会产生镉的重金属污染，目前正处于逐步淘汰阶段。镍铁电池曾风靡一时（1910—1960年），其主要作为牵引机车电源等，优点是寿命长、具有良好的抗过充过放能力；缺点是能量密度较低、低温性能差、制造成本高（与铅酸电池相比）。目前，主流的镍基电池为在镍镉电池基础上发展而来的镍氢电池。1988年，镍氢电池进入实用化阶段，并于1990年在日本开始规模化生产，其特性与镍镉电池类似。在原理上，镍氢电池用金属氢化物代替镉，并作为活性负极材料。镍氢电池的优点是环境污染较轻、回收利用率较高，被称为最环保的电池。镍氢电池的能量密度为70～95W·h/kg，功率密度为200～300W/kg，放电电压较平坦，具有良好的低温性能和快速充电能力。除广泛应用于电子产品、电动自行车和电动工具之外，镍氢电池也是20世纪末期至21世纪初期电动汽车和混合动力汽车的重要能源选择。1993年以来，Ovonic公司的镍氢电池已应用于Solectric GT Force电动汽车，续驶里程达206km。丰田汽车公司和本田汽车公司在混合动力汽车Prius和Insight中，也采用了镍氢电池[1]。在电动汽车应用场景下，镍氢电池最大的不足是能量密度较低，无法为纯电动汽车提供足够的续驶里程，因此一般应用于混合动力汽车。

目前，锂基电池是电动汽车领域的主流电池。需要说明的是，锂基电池包含锂一次电池和锂二次电池。锂一次电池的负极材料为金属锂，称为“锂电池”；锂二次电池依靠锂离子在正极和负极之间的移动来输出电流或充电，一般将碳作为负极材料，将含锂化合物作为正极材料，不存在金属锂，只有锂离子存在，因此称为“锂离子电池”。图1-6介绍了锂离子电池的发展和应用。应用于电动汽车领域的锂基电池特指锂离子电池。考虑不同的正极材料，锂离子电池主要包括镍钴锰酸锂（NCM）离子电池、镍钴铝酸锂（NCA）离子电池、磷酸铁锂（LFP）离子电池、钛酸锂（LTO）离子电池。较高的能量密度、适中的功率密度、较长的循环寿命、较好的可靠性和生产友好性，以及越来越低的成本，使得锂离子电池成为电动汽车的首选[3]。锂离子电池技术的成熟助推了汽车动力系统电动化的第三次浪潮，当前几乎所有的纯电动汽车和多数混合动力汽车都将锂离子电池作为储能装置。

1974年，Thaller提出了液流电池的概念，该电池通过正、负极电解液活性物质的可逆氧化还原反应实现了电能和化学能的相互转化。由于活性物质存储在可流动的电解液中，液流电池可以实现电化学反应场所和活性物质容器在空间上的分离，能满足大规模储能需求[4][5]。液流电池包括铁/铬液流电池、多硫化钠/溴液流电池、锌/溴液流电池、锌/镍液流电池、全钒液流电池等。液流电池的优点是成本低、寿命长，非常适用于电网储能等大规模储能场景。但是，由液流电池的工作原理和结构特征可知，其不适用于电动汽车。

如何开发新型电化学储能体系或结构，进一步提高能量密度和功率密度、延长循环寿命、增强安全性、降低成本，始终是电化学领域的研究热点，固态电池、锂硫电池、锂空气电池、铝离子电池[6]、钠离子电池[7]等新型电池逐渐被提出。在固态电池方面，随着高电导率和高稳定性固态电解质、高稳定性正极和负极材料、固相界面修饰调控等技术的逐步成熟，未来首先能够规模化生产的是介于液态锂离子电池和固态锂离子电池之间的电池。在此基础上，逐步减小液体或凝胶类电解质的比例，最终过渡到固态电池，能量密度有望达到500～600 W·h/kg[3]。锂硫电池的能量密度和循环寿命仍是当前的技术难点，在解决正极多硫离子溶解穿梭问题、构建高载量和高压实硫电极、减小电解液用量、消除电池燃烧安全隐患、提升金属锂负极的电化学可靠性等方面仍需持续攻关。锂空气电池主要需要解决性能衰退问题，解决含氧中间态产物与碳材料、电解液的化学反应技术难题[3]。

3.电磁储能装置

电磁储能装置属于直接式电能存储装置，可以直接通过电磁场将电能存储起来，无须转化为其他形式的能量[8]。电磁场主要包括磁场和静电场两种形式，超导磁储能装置采用磁场储能形式，超级电容器采用静电场储能形式。

超导磁储能装置是利用超导体的阻值为零特性制成的电能存储装置，其不仅可以在超导体电感线圈内高效存储电能，还可以通过电力电子换流器与外部系统快速交换有功功率和无功功率。超导磁储能装置一般由超导线圈、低温容器、制冷装置、变流装置和控制电路组成，具有功率大、损耗小、功率响应速度快等优点，可以进行电能质量治理，提高大电网的动态稳定性，能满足其高功率、快速响应需求。超导磁储能装置的缺点是成本高、能量密度低、需要复杂电力电子设备的支持，不适用于电动汽车应用场景。降低成本、优化超导线材的制造工艺和性能、开拓新的变流器技术和控制策略、减小超导储能线圈交流损耗、提高储能线圈稳定性、加强失超保护等，是超导磁储能装置亟待解决的问题[9]。

超级电容器利用两个多孔导电电极之间的电场存储电能。为防止电极直接接触而加入隔膜，电极和隔膜浸润在电解液中。超级电容器的优点是功率密度高，可达58.5kW/kg，远高于电池的功率密度水平；循环寿命超长，高速深度充放电循环50万～100万次后，其容量仅降低10%～20%；温度适应性好，由于在低温状态下超级电容器中离子的吸附和脱附速度变化不大，因此其容量受温度的影响较小，商业化超级电容器的工作温度为-40～80℃。超级电容器的缺点是能量密度较低，通常为1～10W·h/kg[10]。基于上述特征，超级电容器一般作为混合动力汽车中的峰值电源或混合储能装置中的功率型储能装置。