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超級電容可以為電動車供電嗎?

2015年05月12日  | Bill Schweber

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超級電容是被動元件領域中相對較新的基礎性技術創新,第一款超級電容在20世紀70年代上市,而到20世紀90年代初獲得廣泛的使用。在超級電容開發出來之前,“傳統觀點”和教科書都認為即使是1法拉的電容也不可能真正實現,因為這麼大容量電容的體積將會像桌子那麼大。然而今天的超級電容已經成為工程師材料清單(BOM)中的標準元件。


與可重複充電的電池相比,超級電容既有優點也有缺點。與標準的電解電容相比,超級電容可以存儲10倍至100倍的單位體積或單位質量(unit mass)的能量,但只有約1/10的電池能量密度(因此在給定能量條件下體積更大);其充放電速度比電池更快;可以忍受比可充電電池多得多的充放電次數。在許多設計中,超級電容都是用來作為短期或長期備用和工作電池的替代產品或補充產品。


那麼將超級電容用來取代電動車(EV)和混合動力車(HEV)中的電池組又會怎樣呢?我只能遺憾地說,至今為止還沒有哪款商用電動車或混合動力車使用過超級電容。我不是電池專家,但我猜想有以下幾個原因:體積、成本,也許還有電源管理問題、串聯和並聯使用的難度、故障模式問題等等。我敢肯定電動車/混合動力車供應商的技術專家考慮過超級電容,只是至少目前來講還不適合使用。


但這並不能阻止人們去推測,而這種推測聽起來又似乎非常合理。最近我看到NASA的科技簡報特別讚許一個想法--注意我強調“想法”這個詞--使用一組某種型式的超級電容來儲存能量,而這些能量可讓電動車行駛300英里(約4800公里)。


在發現這個想法完全是推測性質的之前,這真是一個令人印象非常深刻的數字。人們在討論介電常數(物質電容率與真空電容率的比值)高達3億的大型多層陶瓷電容(MLCC)陣列時經常大量使用到像“革命性”、“容易” 、“標準”等字眼。


在電動車中使用大型MLCC陣列:是好的主意,還是無法真正實現的主意?(資料來源:NASA的科技簡報)。

在電動車中使用大型MLCC陣列:是好的主意,還是無法真正實現的主意?(資料來源:NASA的科技簡報)。

我不是說這樣的設計是不可能的。眾所周知,當提到技術的發展時,你應該“從不說不行”。然而,與電動車中高能量密度電池組有關的問題已經超出了記憶元件本身的範疇。該作者推薦的陣列是由12000個5.5F的MLCC所組成的,總電容高達66000F。


這真是一個令人咋舌的高能量密度和電容量,因而也帶來了安全和實際系統設計方面的重大課題。如何可靠地連接所有這些MLCC?當一個或多個MLCC發生內部開路或短路時會發生什麼樣的狀況?如何妥善地處理出入這種高密度電池組的大電流和高電壓?


在與開發過從筆記型電腦中使用的相對較小電池組到電動車中較大電池組的高能量電池組的任何工程師交談過後,你都會發現,電池/超級電容本身只是設計和製造挑戰的一個部分,其它還有許多問題,比如內部互連、外部連接、充放電管理、電流、電壓和熱監視,以及整體的安全性監視和保護。雖然說起來這些都是可管理的問題,很容易克服(一位我曾在他手下工作過的專案經理,不經意地透露出了這些週邊功能“的一些細節”),但事實上這些都是非常困難的問題,特別是在量大且製造導向的產品中。


我們經常聽到有關電池(或超級電容)領域中發生的大事,比如密度可達當前最好電池的5倍甚至10倍。但在過去幾十年中,電池的進展一直是屬於那種溫和漸進型的,是一點一滴的進步,絕不是所謂的重大突破。華爾街日報上的一篇題為“Tech World Vexed by Slow Progress on Batteries”的文章就指出,一種新的電池技術進入大批量市場所需的時間大約是10年,即使技術聽起來很酷,但很多實驗室中感覺很有前途的技術並未獲得市場採用,原因就在於製造、材料和功能性問題。


MLCC陣列會成為電動車領域中的下一個重大突破嗎?我得承認:我不知道。我能知道的是,當某人說很容易時,實際上還沒有製造和測試實際產品,只是一個推測出來的好主意。


很多計畫在概念上看似簡單,但在進入中/大量生產時卻又是另一回事。對此,不知道讀者諸君是否有相關的經驗願意分享?





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