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超級電容是被動(dòng)組件領(lǐng)域中相對較新的基礎性技術(shù)創(chuàng )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(kāi)發(fā)出來(lái)之前，“傳統觀(guān)點(diǎn)”和教科書(shū)都認為即使是1法拉的電容也不可能真正實(shí)現，因為這么大容量電容的體積將會(huì )像桌子那么大。然而今天的超級電容已經(jīng)成為工程師材料列表（BOM）中的標準組件。 與可重復充電的電池相比，超級電容既有優(yōu)點(diǎn)也有缺點(diǎn)。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(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。在許多設計中，超級電容都是用來(lái)作為短期或長(cháng)期備用和工作電池的替代產(chǎn)品或補充產(chǎn)品。 那么將超級電容用來(lái)取代電動(dòng)車(chē)（EV）和混合動(dòng)力車(chē)（HEV）中的電池組又會(huì )怎樣呢？我只能遺憾地說(shuō)，至今為止還沒(méi)有哪款商用電動(dòng)車(chē)或混合動(dòng)力車(chē)使用過(guò)超級電容。我不是電池專(zhuān)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(wèn)題、串聯(lián)和并聯(lián)使用的難度、故障模式問(wèn)題等等。我敢肯定電動(dòng)車(chē)/混合動(dòng)力車(chē)供貨商的技術(shù)專(zhuān)家考慮過(guò)超級電容，只是至少目前來(lái)講還不適合使用。 但這并不能阻止人們去推測，而這種推測聽(tīng)起來(lái)又似乎非常合理。最近我看到NASA的科技簡(jiǎn)報特別贊許一個(gè)想法--注意我強調“想法”這個(gè)詞--使用一組某種型式的超級電容來(lái)儲存能量，而這些能量可讓電動(dòng)車(chē)行駛300英里（約4800公里）。 在發(fā)現這個(gè)想法完全是推測性質(zhì)的之前，這真是一個(gè)令人印象非常深刻的數字。人們在討論介電常數（物質(zhì)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）數組時(shí)經(jīng)常大量使用到像“革命性”、“容易” 、“標準”等字眼。 在電動(dòng)車(chē)中使用大型MLCC數組：是好的主意，還是無(wú)法真正實(shí)現的主意？（數據源：NASA的科技簡(jiǎn)報）。 我不是說(shuō)這樣的設計是不可能的。眾所周知，當提到技術(shù)的發(fā)展時(shí)，你應該“從不說(shuō)不行”。然而，與電動(dòng)車(chē)中高能量密度電池組有關(guān)的問(wèn)題已經(jīng)超出了存儲元件本身的范疇。該作者推薦的數組是由12000個(gè)5.5F的MLCC所組成的，總電容高達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(lái)了安全和實(shí)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(gè)或多個(gè)MLCC發(fā)生內部開(kāi)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(kāi)發(fā)過(guò)從筆記本電腦中使用的相對較小電池組到電動(dòng)車(chē)中較大電池組的高能量電池組的任何工程師交談過(guò)后，你都會(huì )發(fā)現，電池/超級電容本身只是設計和制造挑戰的一個(gè)部分，其它還有許多問(wèn)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(shuō)起來(lái)這些都是可管理的問(wèn)題，很容易克服（一位我曾在他手下工作過(guò)的項目經(jīng)理，不經(jīng)意地透露出了這些外圍功能“的一些細節”），但事實(shí)上這些都是非常困難的問(wèn)題，特別是在量大且制造導向的產(chǎn)品中。 我們經(jīng)常聽(tīng)到有關(guān)電池（或超級電容）領(lǐng)域中發(fā)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(guò)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(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(tīng)起來(lái)很酷，但很多實(shí)驗室中感覺(jué)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(wèn)題。 MLCC數組會(huì )成為電動(dòng)車(chē)領(lǐng)域中的下一個(gè)重大突破嗎？我得承認：我不知道。我能知道的是，當某人說(shuō)很容易時(shí)，實(shí)際上還沒(méi)有制造和測試實(shí)際產(chǎn)品，只是一個(gè)推測出來(lái)的好主意。 很多計劃在概念上看似簡(jiǎn)單，但在進(jìn)入中/大量生產(chǎn)時(shí)卻又是另一回事。對此，不知道讀者諸君是否有相關(guān)的經(jīng)驗愿意分享？ |
