我們可以使用超級(jí)電容器為電動(dòng)汽車提供動(dòng)力嗎？

超級(jí)電容器(也稱為超級(jí)電容器)是相對(duì)較新的無(wú)源設(shè)備基礎(chǔ)技術(shù)創(chuàng)新，第一批產(chǎn)品于 1970 年代上市，并在 1990 年代初得到廣泛使用。在他們開發(fā)之前，“傳統(tǒng)智慧”和教科書認(rèn)為即使是一法拉電容器對(duì)于實(shí)際設(shè)計(jì)也是不切實(shí)際的，因?yàn)樗挥幸粡堊雷幽敲创?。然而今天，超?jí)電容是工程師材料清單 (BOM) 套件中的標(biāo)準(zhǔn)組件。

與可充電電池相比，這些電容器既有優(yōu)點(diǎn)也有缺點(diǎn)。它們通常每單位體積或單位質(zhì)量可以存儲(chǔ)比標(biāo)準(zhǔn)電解電容器多 10 到 100 倍的能量，但它們的能量密度只有電池的 1/10 左右(因此對(duì)于給定的能量，物理上更大);可以比電池更快地充電和放電;并且比可充電電池耐受更多的充電/放電循環(huán)。在許多設(shè)計(jì)中，它們可以替換或補(bǔ)充電池，以實(shí)現(xiàn)短期或長(zhǎng)期備份和操作。

那么在電動(dòng)汽車 (EV) 和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車 (HEV) 中使用它們，而不是電池組呢?到目前為止，據(jù)我所知，市售的電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車都沒(méi)有使用它們。我不是電池專家，但我懷疑這是多種因素的組合：尺寸、成本、也許是電源管理問(wèn)題、串聯(lián)和并聯(lián)組合使用它們的困難、故障模式問(wèn)題以及其他因素。我確信 EV/HEV 供應(yīng)商的技術(shù)專家已經(jīng)考慮過(guò)它們，并認(rèn)為它們沒(méi)有意義，至少目前是這樣。

但這并沒(méi)有阻止人們猜測(cè)，而這種猜測(cè)可以讓這一切聽起來(lái)很容易。我最近看到美國(guó)宇航局技術(shù)簡(jiǎn)報(bào)對(duì)一個(gè)想法進(jìn)行了榮譽(yù)提及——我強(qiáng)調(diào)了“想法”這個(gè)詞——在 3000 英里(約 4800 公里)范圍內(nèi)的電動(dòng)汽車中使用一組類型的超級(jí)電容器進(jìn)行能量存儲(chǔ)，請(qǐng)看這里。

哇，這令人印象深刻……直到您意識(shí)到這個(gè)想法完全是推測(cè)性的。詳細(xì)的競(jìng)賽條目在討論具有介電常數(shù)(物質(zhì)的介電常數(shù)與自由空間的介電常數(shù))為 3 億。

我并不是說(shuō)這樣的設(shè)計(jì)是不可能的。我們知道，當(dāng)談到技術(shù)進(jìn)步時(shí)，你應(yīng)該“永遠(yuǎn)不要說(shuō)永遠(yuǎn)”。盡管如此，與 EV 中如此密集的電源組相關(guān)的問(wèn)題超出了存儲(chǔ)組件本身。作者提出了一個(gè)由 12,000 個(gè) MLCC 組成的陣列，每個(gè) 5.5 F，總共 66,000 F。

這是一個(gè)驚人的高能量密度和容量，它帶來(lái)了安全和實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要問(wèn)題。您如何可靠地連接所有這些 MLCC?當(dāng)一個(gè)或多個(gè) MLCC 失效開路或內(nèi)部短路時(shí)會(huì)發(fā)生什么?您如何處理進(jìn)出如此密集封裝的大電流和高電壓?

與任何使用過(guò)高能電池組的工程師交談，從筆記本電腦中使用的相對(duì)較小的電池組到電動(dòng)汽車中的較大電池組，您會(huì)聽到現(xiàn)實(shí)情況是電池/超級(jí)電容器本身只是設(shè)計(jì)和制造的一部分挑戰(zhàn)。還有許多其他問(wèn)題，例如內(nèi)部互連;外部連接;充放電管理;電流、電壓和熱監(jiān)控;和全面的安全監(jiān)控和保護(hù)。雖然說(shuō)這些都是可以輕松克服的問(wèn)題很容易解決(我工作過(guò)的一個(gè)項(xiàng)目經(jīng)理隨便宣稱這些外圍功能只是“細(xì)節(jié)”)，但實(shí)際上這些都是非常困難的問(wèn)題，尤其是在高-量，制造導(dǎo)向的產(chǎn)品。

我們經(jīng)常聽到有關(guān)電池(或超級(jí)電容器)的下一件大事的報(bào)道，承諾的密度是當(dāng)今最佳電池的五倍甚至十倍。然而，在過(guò)去幾十年中，大多數(shù)擊球手的進(jìn)步都是通過(guò)適度的、漸進(jìn)的改進(jìn)相互疊加，而不是一個(gè)重大的突破?！度A爾街日?qǐng)?bào)》(所有地方)的一篇平衡而有洞察力的文章“科技世界因電池進(jìn)展緩慢而煩惱”指出，將新的電池增強(qiáng)產(chǎn)品推向大眾市場(chǎng)大約需要十年的時(shí)間和精力，許多有希望的由于制造、材料和功能問(wèn)題，即使基礎(chǔ)技術(shù)是可靠的，實(shí)驗(yàn)室的進(jìn)步也無(wú)法進(jìn)入市場(chǎng)。

一系列 MLCC 會(huì)成為電動(dòng)汽車的下一件大事嗎?我承認(rèn)：我不知道。我確實(shí)知道，當(dāng)有人說(shuō)這很容易，但從未實(shí)際構(gòu)建和測(cè)試過(guò)實(shí)際單元時(shí)，持懷疑態(tài)度是個(gè)好主意。

您對(duì)高能量/高密度電池和超級(jí)電容器有何經(jīng)驗(yàn)?您是否曾參與過(guò)在概念上看起來(lái)如此簡(jiǎn)單的項(xiàng)目，直到您不得不將它們帶入中等/大批量制造環(huán)境?