超级电容可以为电动车供电吗?有哪些技术挑战?

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超级电容是被动组件领域中相对较新的基础性技术创新,第一款超级电容在20世纪70年代上市,而到20世纪90年代初获得广泛的使用。在超级电容开发出来之前,“传统观点”和教科书都认为即使是1法拉的电容也不可能真正实现,因为这么大容量电容的体积将会像桌子那么大。然而今天的超级电容已经成为工程师材料列表(BOM)中的标准组件。

与可重复充电的电池相比,超级电容既有优点也有缺点。与标准的电解电容相比,超级电容可以存储10倍至100倍的单位体积或单位质量(unit mass)的能量,但只有约1/10的电池能量密度(因此在给定能量条件下,体积更大);其充放电速度比电池更快;可以忍受比可充电电池多得多的充放电次数。在许多设计中,超级电容都是用来作为短期或长期备用和工作电池的替代产品或补充产品。

那么将超级电容用来取代电动车(EV)和混合动力车(HEV)中的电池组又会怎样呢?我只能遗憾地说,至今为止还没有哪款商用电动车或混合动力车使用过超级电容。我不是电池专家,但我猜想有以下几个原因:体积、成本,也许还有电源管理问题、串联和并联使用的难度、故障模式问题等等。我敢肯定电动车/混合动力车供货商的技术专家考虑过超级电容,只是至少目前来讲还不适合使用。

但这并不能阻止人们去推测,而这种推测听起来又似乎非常合理。最近我看到NASA的科技简报特别赞许一个想法——注意我强调“想法”这个词——使用一组某种型式的超级电容来储存能量,而这些能量可让电动车行驶300英里(约4800公里)。

在发现这个想法完全是推测性质的之前,这真是一个令人印象非常深刻的数字。人们在讨论介电常数(物质电容率与真空电容率的比值)高达3亿的大型多层陶瓷电容(MLCC)数组时经常大量使用到像“革命性”、“容易”、“标准”等字眼。



  Super capacitor


在电动车中使用大型MLCC数组:是好的主意,还是无法真正实现的主意?

我不是说这样的设计是不可能的。众所周知,当提到技术的发展时,你应该“从不说不行”。然而,与电动车中高能量密度电池组有关的问题已经超出了存储元件本身的范畴。该作者推荐的数组是由12000个5.5F的MLCC所组成的,总电容高达66000F.

这真是一个令人咋舌的高能量密度和电容量,因而也带来了安全和实际系统设计方面的重大课题。如何可靠地连接所有这些MLCC?当一个或多个MLCC发生内部开路或短路时会发生什么样的状况?如何妥善地处理出入这种高密度电池组的大电流和高电压?

在与开发过从笔记本电脑中使用的相对较小电池组到电动车中较大电池组的高能量电池组的任何工程师交谈过后,你都会发现,电池/超级电容本身只是设计和制造挑战的一个部分,其它还有许多问题,比如内部互连、外部连接、充放电管理、电流、电压和热监视,以及整体的安全性监视和保护。虽然说起来这些都是可管理的问题,很容易克服(一位我曾在他手下工作过的项目经理,不经意地透露出了这些外围功能“的一些细节”),但事实上这些都是非常困难的问题,特别是在量大且制造导向的产品中。

我们经常听到有关电池(或超级电容)领域中发生的大事,比如密度可达当前最好电池的5倍甚至10倍。但在过去几十年中,电池的进展一直是属于那种温和渐进型的,是一点一滴的进步,绝不是所谓的重大突破。华尔街日报上的一篇题为“Tech World Vexed by Slow Progress on Batteries”的文章就指出,一种新的电池技术进入大批量市场所需的时间大约是10年,即使技术听起来很酷,但很多实验室中感觉很有前途的技术并未获得市场采用,原因就在于制造、材料和功能性问题。

MLCC数组会成为电动车领域中的下一个重大突破吗?我得承认:我不知道。我能知道的是,当某人说很容易时,实际上还没有制造和测试实际产品,只是一个推测出来的好主意。

很多计划在概念上看似简单,但在进入中/大量生产时却又是另一回事。对此,不知道读者诸君是否有相关的经验愿意分享?


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