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超级电容可以为电动车供电吗?有哪些技术挑战?

Bill Schweber?? 2015年05月12日 ?? 收藏0
超级电容是无源器件领域中相对较新的基础性技术创新,首款超级电容是20世纪70年代面市的,到20世纪90年代初已得到广泛使用。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1F的电容也不可能真正实现,因为这么大容量的电容体积要像桌子那么大。然而今天,超级电容已经成为工程师物料清单(BOM)中的标准器件。

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

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?(数据源:NASA的科技简报)。
在电动汽车中使用大型MLCC阵列:好主意,还是无法真正实现的主意?(摘自NASA的科技简报)。

那么将超级电容用在电动汽车(EV)和混合动力汽车(HEV)中代替电池组又会怎样呢?据我所知,至今为止还没有哪款商用电动汽车或混合动力汽车使用过超级电容。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、串并联使用的难度,以及故障模式问题等。我敢肯定电动汽车/混合动力汽车供应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,而这种推测又似乎听起来非常合理。最近我看到NASA的科技简报特别褒奖一个想法—注意我强调“想法”这个词—使用一组某个型号的超级电容实现巡航距离为300英里(约483公里)的电动汽车中的能量存储。

哇,这太令人印象深刻了……直到你发现这个想法完全是推测性的。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)阵列时经常大量使用到像“革命性”、“容易”和“标准”等词汇。

我不是说这样的设计是不可能的。众所周知,当提到技术发展时,你应该“永不说不行”。然而,与电动汽车中这种高能量密度电池组有关的问题已经超出了存储器件本身的范畴。作者推荐的阵列是由12,000个5.5F的MLCC组成的,总电容高达66000F。

这是令人咂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。如何可靠地连接所短路时会发生什么?如何稳妥地处理出入这种高密度电池组的大电流和高电压?

与开发过从笔记本电脑中使用的相对较小电池组,到电动汽车中较大电池组的高能量电池组的任何工程师交流你都会发现,电池/超级电容本身只是设计和制造挑战的一个部分,还有许多其他问题,比如内部互连,外部连接,充放电管理,电流、电压和热监视,以及总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(我曾经效劳过的一位项目经理不经意间宣称这些外围功能只是一些“小细节”),但事实上这些都是非常困难的问题,特别是在面向制造的大批量产品中。

我们经常听到有关电池(或超级电容)领域中将发生的下一件大事—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,电池进展一直是温和渐进的,绝不是所谓的重大突破。华尔街日报发表的一篇题为《Tech World Vexed by Slow Progress on Batteries》的文章就有理有据地指出,一种新的电池技术努力进入大批量市场所需的时间大约是10年,实验室中很多感觉很有前途的技术并不能得到市场的采纳,原因就在于制造、材料和功能性问题,即使所用技术听起来很酷。

MLCC阵列会成为电动汽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。

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电动车供电? 能量密度? MLCC?

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