储能电池种类介绍1

提起储能电池，我们电动汽车行业的小伙伴默认就是锂电池，其实，在锂电池之外，还有许多种类的储能形式存在，即使是具体到动力电池，用来或者说曾经用来驱动汽车的电池也不止一种两种。这是一篇汇总了超过十种储能媒介的综述，选择翻译它，主要就是太全面。《 Review of energy storage systems for electric vehicle applications Issues and challenges》，作者M.A. Hannana等人。把今天的内容与前面两天的内容汇总到一起，4.4节以后是今天的最新内容。

概述

电动汽车（EV）技术解决了减少温室气体排放的问题。电动汽车的概念侧重于替代能源的利用。然而，电动汽车系统目前在能源存储系统（ESS）方面面临安全、尺寸、成本和整体管理问题多个方面的挑战。此外，先进的电力电子技术在ESS中的应用，是提高EV性能的另外一个关键环节。本文回顾ESS技术，分类，特性，结构，电力转换，以及在EV上应用的优点和缺点。此外，本文讨论的各种类型的电池，根据它们的能量存储机理，材料组成，基于其容量的一般电力输送过程和整体的ESS系统中的电力电子技术和预期寿命。本文综述了下一代电动汽车应用中ESS技术可持续发展的诸多因素，挑战和问题。

1 介绍

通过确保适当利用先进技术，世界正在走向发展。许多发展中国家和欠发达国家正在争相实现发达国家的技术进步。解决公民的交通需求象征着技术和经济增长的进一步发展。全球流动性和许多城市的发展明显地增加了车辆在道路上行驶的数量。根据参考文献[1]，从1990年到2014年销售约295.57百万辆汽车，2014年销售总额的31.70％。预计2015年销量增长3％[1]。

车辆数量的增长已经导致两个主要问题，即，交通拥堵和二氧化碳（CO2）的排放过量。一般来说，常规车辆在消耗大约总燃料能量85％[2,3]，其余以CO2，一氧化碳，氮氧化物，碳氢化合物，水和其他温室气体（GHG）的形式消散热量; 总气体排放量的83.7％为CO2 [4] 。CO2排放量，从1990年的227亿吨急剧增加至2013的 352.7亿吨[5]中，如图1所示。随着CO2从1990年开始的缓慢上升，见于图1，在未来十年，该增长率从2003年至2008年逐年加快。在2013年，排放量减小至3.80-2.00％。二氧化碳是导致全球变暖的温室气体之一，这是一个严重的全球环境问题。

脱碳在减少二氧化碳运输部门的排放量，具有重要作用。对化石燃料驱动车辆的内燃机的改进还远远达不到CO2 排放目标。因此，需要先进技术才能达到长期和更高的排放目标。CO2和其他温室气体排放量的减少，是许多国家和研究的重要问题。许多国家和地区独自或联合通过了计划，通过电动车辆（EV）代替常规的内燃机车辆的方式减少CO2的排放[6,7] 。减排计划已经设定了未来几十年的温室气体排放目标[4]。电动汽车具有高效率和低排放甚至零排放的优点，因而吸引了各方的关注。 [8]。

图 1. 运输二氧化碳（CO 2）排放量[5]。

电动汽车将电力储存在电化学电池，燃料电池（FC）和超级电容器（UCs）中运行，其最终电力来源包括发电厂和可再生能源。根据动力来源不同，电动汽车有几种类型，如混合动力电动汽车（HEV），纯电动汽车（BEV），插电式混合动力电动汽车，光伏电动汽车和燃料电池电动汽车[9，10]。不同于传统的车辆，电动汽车使用一个或多个动力电源和电动机[10,11]。电动汽车中使用再生制动和热电发电机，以减少能源浪费。车辆的制动过程吸收其能量，将其转换回电能，并将能量返回到电池，而热电发电机将热量从发动机和机器系统自动转换为电力[3,11,12]。电动汽车电动机通常不需要使用传统的变速箱，并且在很宽的速度范围内具有高转矩。此外，电动汽车在静止时不消耗任何动力[13]，在运行时消耗75％以上的能量。目前，电动汽车平均使用1千瓦时电量续航4~8英里[3] 。

电动车是高度依赖于能量存储技术，例如 FC和UCS [3,14 - 16] ，它需要从电网充电。电动汽车的额外能源需求是普通电网的新挑战。为了满足额外的电力需求，大多数国家正在投资可再生能源，如太阳能和风能 [16] 。 车辆自身的可再生能源和存储的能源可以在用电高峰期间给大电网供电 （ V2G ） ， 在用电低谷期间从大电网充电恢复动力性能 [17-19]。存储在电池系统和其他存储系统中的电能被用于操作电动机和附件以及车辆的基本系统 [20] 。VE上的电池存储能量，除了用于驱动电机，还同时给车辆附件供电。车辆的续航和功率性能完全取决于电池的性能 [3,14 - 16] 。

电动汽车中的电能存储需要考虑许多要求。管理系统，电力电子接口，电源转换，安全和防护对提高能量效率和实现EV分布式管理都非常重要 [21-25] 。电动汽车需要高科技提供长途续航和高能量使用效率。能源的选择和管理，能量储存和储能管理系统对未来电动汽车技术至关重要[23]。

能量储存系统（ESS）正在成为电力市场中的重要一环，提高可再生能源的比例，减少二氧化碳排放量[4,5,8] ，重新定义智能电网概念[26-29] 。ESS对整个电力系统具有重要影响; 它提供了连续和灵活的电源供给并提高电网应对不可控的额外功率波峰的出现。此外，ESS确保了因自然灾害造成的电力危机期间，仍然能够为消费者提供可靠的服务 [30]。

本文侧重于ESS制造，利用，回收和处理过程中的环境和安全问题。不同类型的能量存储技术按照发电过程，特点，以及在电动汽车上的应用进行一一解释。分析比较现有的电化学储能单元的特征。

图2. EV架构：a）电池供电的EV和b）串并联全HEV

图2显示了电动汽车的传动结构。图2（a）和（b）分别给出了一个BEV驱动系统和一个混合动力汽车原理框图。

2 典型ESS系统结构

ESS系统的典型结构与应用该系统的场景及具体参数有关。ESS包括机械的，电化学的，化学的，电的，热的和混合的等各种类型[30] 。这些系统按照结构和组成的材料成分分类[14,30] 。图3展示了储能介质的详细分类，其中能够应用于EV的类型，涂成灰色。飞轮，二次电化学电池，FC，UC，超导磁线圈和混合ESS通常用于EV动力系统[9,10,14 - 16,23,30 -33]。

图3根据它们的结构形式和材料成分划分的储能系统分类（ESS）。