超級電容器(也稱為超級電容器)是相對較新的無源設(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于實際設(shè)計也是不切實際的，因為它只有一張桌子那么大。然而今天，超級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)點也有缺點。它們通常每單位體積或單位質(zhì)量可以存儲比標(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)計中，它們可以替換或補(bǔ)充電池，以實現(xiàn)短期或長期備份和操作。
那么在電動汽車 (EV) 和混合動力電動汽車 (HEV) 中使用它們，而不是電池組呢?到目前為止，據(jù)我所知，市售的電動汽車和混合動力汽車都沒有使用它們。我不是電池專家，但我懷疑這是多種因素的組合：尺寸、成本、也許是電源管理問題、串聯(lián)和并聯(lián)組合使用它們的困難、故障模式問題以及其他因素。我確信 EV/HEV 供應(yīng)商的技術(shù)專家已經(jīng)考慮過它們，并認(rèn)為它們沒有意義，至少目前是這樣。
但這并沒有阻止人們猜測，而這種猜測可以讓這一切聽起來很容易。我最近看到美國宇航局技術(shù)簡報對一個想法進(jìn)行了榮譽(yù)提及——我強(qiáng)調(diào)了“想法”這個詞——在 3000 英里(約 4800 公里)范圍內(nèi)的電動汽車中使用一組類型的超級電容器進(jìn)行能量存儲，請看這里。
哇，這令人印象深刻……直到您意識到這個想法完全是推測性的。詳細(xì)的競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。
我并不是說這樣的設(shè)計是不可能的。我們知道，當(dāng)談到技術(shù)進(jìn)步時，你應(yīng)該“永遠(yuǎn)不要說永遠(yuǎn)”。盡管如此，與 EV 中如此密集的電源組相關(guān)的問題超出了存儲組件本身。作者提出了一個由 12,000 個 MLCC 組成的陣列，每個 5.5 F，總共 66,000 F。
這是一個驚人的高能量密度和容量，它帶來了安全和實際系統(tǒng)設(shè)計的主要問題。您如何可靠地連接所有這些 MLCC?當(dāng)一個或多個 MLCC 失效開路或內(nèi)部短路時會發(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?
與任何使用過高能電池組的工程師交談，從筆記本電腦中使用的相對較小的電池組到電動汽車中的較大電池組，您會聽到現(xiàn)實情況是電池/超級電容器本身只是設(shè)計和制造的一部分挑戰(zhàn)。還有許多其他問題，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)。雖然說這些都是可以輕松克服的問題很容易解決(我工作過的一個項目經(jīng)理隨便宣稱這些外圍功能只是“細(xì)節(jié)”)，但實際上這些都是非常困難的問題，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(或超級電容器)的下一件大事的報道，承諾的密度是當(dāng)今最佳電池的五倍甚至十倍。然而，在過去幾十年中，大多數(shù)擊球手的進(jìn)步都是通過適度的、漸進(jìn)的改進(jìn)相互疊加，而不是一個重大的突破?！度A爾街日報》(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)品推向大眾市場大約需要十年的時間和精力，許多有希望的由于制造、材料和功能問題，即使基礎(chǔ)技術(shù)是可靠的，實驗室的進(jìn)步也無法進(jìn)入市場。
一系列 MLCC 會成為電動汽車的下一件大事嗎?我承認(rèn)：我不知道。我確實知道，當(dāng)有人說這很容易，但從未實際構(gòu)建和測試過實際單元時，持懷疑態(tài)度是個好主意。
您對高能量/高密度電池和超級電容器有何經(jīng)驗?您是否曾參與過在概念上看起來如此簡單的項目，直到您不得不將它們帶入中等/大批量制造環(huán)境?
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