超級(jí)電容可以為電動(dòng)車供電嗎?有哪些技術(shù)挑戰(zhàn)?

 超級(jí)電容是被動(dòng)組件領(lǐng)域中相對(duì)較新的基礎(chǔ)性技術(shù)創(chuàng)新，第一款超級(jí)電容在20世紀(jì)70年代上市，而到20世紀(jì)90年代初獲得廣泛的使用。在超級(jí)電容開發(fā)出來之前，“傳統(tǒng)觀點(diǎn)”和教科書都認(rèn)為即使是1法拉的電容也不可能真正實(shí)現(xiàn)，因?yàn)檫@么大容量電容的體積將會(huì)像桌子那么大。然而今天的超級(jí)電容已經(jīng)成為工程師材料列表(BOM)中的標(biāo)準(zhǔn)組件。

與可重復(fù)充電的電池相比，超級(jí)電容既有優(yōu)點(diǎn)也有缺點(diǎn)。與標(biāo)準(zhǔn)的電解電容相比，超級(jí)電容可以存儲(chǔ)10倍至100倍的單位體積或單位質(zhì)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(shù)。在許多設(shè)計(jì)中，超級(jí)電容都是用來作為短期或長(zhǎng)期備用和工作電池的替代產(chǎn)品或補(bǔ)充產(chǎn)品。

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

但這并不能阻止人們?nèi)ネ茰y(cè)，而這種推測(cè)聽起來又似乎非常合理。最近我看到NASA的科技簡(jiǎn)報(bào)特別贊許一個(gè)想法——注意我強(qiáng)調(diào)“想法”這個(gè)詞——使用一組某種型式的超級(jí)電容來儲(chǔ)存能量，而這些能量可讓電動(dòng)車行駛300英里(約4800公里)。

在發(fā)現(xiàn)這個(gè)想法完全是推測(cè)性質(zhì)的之前，這真是一個(gè)令人印象非常深刻的數(shù)字。人們?cè)谟懻摻殡姵?shù)(物質(zhì)電容率與真空電容率的比值)高達(dá)3億的大型多層陶瓷電容(MLCC)數(shù)組時(shí)經(jīng)常大量使用到像“革命性”、“容易”、“標(biāo)準(zhǔn)”等字眼。

我不是說這樣的設(shè)計(jì)是不可能的。眾所周知，當(dāng)提到技術(shù)的發(fā)展時(shí)，你應(yīng)該“從不說不行”。然而，與電動(dòng)車中高能量密度電池組有關(guān)的問題已經(jīng)超出了存儲(chǔ)元件本身的范疇。該作者推薦的數(shù)組是由12000個(gè)5.5F的MLCC所組成的，總電容高達(dá)66000F.

這真是一個(gè)令人咋舌的高能量密度和電容量，因而也帶來了安全和實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的重大課題。如何可靠地連接所有這些MLCC?當(dāng)一個(gè)或多個(gè)MLCC發(fā)生內(nèi)部開路或短路時(shí)會(huì)發(fā)生什么樣的狀況?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(fā)過從筆記本電腦中使用的相對(duì)較小電池組到電動(dòng)車中較大電池組的高能量電池組的任何工程師交談過后，你都會(huì)發(fā)現(xiàn)，電池/超級(jí)電容本身只是設(shè)計(jì)和制造挑戰(zhàn)的一個(gè)部分，其它還有許多問題，比如內(nèi)部互連、外部連接、充放電管理、電流、電壓和熱監(jiān)視，以及整體的安全性監(jiān)視和保護(hù)。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項(xiàng)目經(jīng)理，不經(jīng)意地透露出了這些外圍功能“的一些細(xì)節(jié)”)，但事實(shí)上這些都是非常困難的問題，特別是在量大且制造導(dǎo)向的產(chǎn)品中。

我們經(jīng)常聽到有關(guān)電池(或超級(jí)電容)領(lǐng)域中發(fā)生的大事，比如密度可達(dá)當(dāng)前最好電池的5倍甚至10倍。但在過去幾十年中，電池的進(jìn)展一直是屬于那種溫和漸進(jìn)型的，是一點(diǎn)一滴的進(jìn)步，絕不是所謂的重大突破。華爾街日?qǐng)?bào)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(shù)進(jìn)入大批量市場(chǎng)所需的時(shí)間大約是10年，即使技術(shù)聽起來很酷，但很多實(shí)驗(yàn)室中感覺很有前途的技術(shù)并未獲得市場(chǎng)采用，原因就在于制造、材料和功能性問題。

MLCC數(shù)組會(huì)成為電動(dòng)車領(lǐng)域中的下一個(gè)重大突破嗎?我得承認(rèn)：我不知道。我能知道的是，當(dāng)某人說很容易時(shí)，實(shí)際上還沒有制造和測(cè)試實(shí)際產(chǎn)品，只是一個(gè)推測(cè)出來的好主意。