超级电容器能否替代锂电？电动汽车的电源革新之路

锂离子电池对电动汽车(EV)的发展起到了良好的推动作用。它们已经成为一种便捷的可持续交通方式，但是与电动汽车可能达到的理想状态相比还有很大距离。工程师和嵌入式系统专业人士正在通过超级电容器寻求改进的电源。一些专家认为，超级电容器是缓解现代电池缺点(如使用寿命和充电速度)的解决方案。这种说法是否属实呢？

超级电容器为电动汽车带来了哪些优势？

传统电池存在的问题对广泛应用构成了重大障碍，因为这些问题引起了人们对电动汽车相对于内燃机汽车有效性的质疑。由于超级电容器已在混合动力汽车中得到应用，因​​此在电动汽车中的实施将比大多数新技术更容易。因此，电动汽车将获得这些好处，从而在环保交通方面实现更高的一致性。

快速充电和循环寿命

电动汽车电池的充电时间根据充电级别而有所不同。然而，这仍然不如给燃气汽车加油那样只需几分钟来得方便。最近的研究证明，它们能够防止直接浪涌负载以避免电池性能降低。同时，在再生制动过程中还能储存回收的能量，从而提升充电速度和续航里程。除了辅助制动之外，像电子助力转向这样的外围动力应用也增强了这一优势。

长寿命

评论表明，如果设计得当，超级电容器可以拥有近乎无限的使用寿命，而其他估计则认为可达一百万次循环。使用智能负载预测系统可以确保配置的准确性、电压的稳定性，以及功率水平保持在峰值性能。这为驾驶员节省了重复的电池更换和维护费用。其高储能密度也对此做出了贡献。

更低的环境影响

众所周知，锂离子电池和其他类型的电池在其生产初期就对环境造成了显著的影响。尽管电动汽车的生命周期可以在一定程度上缓解这些负面影响，但其在原材料提取和能源消耗方面的生态破坏仍然显著。

电动汽车使用的超级电容器通过静电方式而非化学方式储存能量，提供了一种无毒的替代方案。此外，其延长的使用寿命改善了其生命周期评估，使得在其使用寿命结束时减少了浪费。

温度控制

过热是锂离子电池的一个重大问题，以至于不同程度的可燃性担忧损害了它们的声誉。超级电容器通过更有效的温度管理克服了这一负面报道。即使在极端条件下，超级电容器也能保护电动汽车组件免受由温度波动引起的性能问题的影响。

防止温度波动对于保护动力总成系统内的储能系统至关重要，这会影响其他关键效率指标。一些新型即插即用超级电容器可以在-40℃至65℃之间工作，甚至能够在更高的温度下运行。由于超级电容器具有低电阻和无化学反应的特点，它们降低了电动汽车的冷却需求，从而降低了成本。

超级电容器应用面临的挑战

超级电容器并不是一项新发明。工程师们已经在工业、能源甚至可穿戴技术领域使用了数十年。如果超级电容器为电动汽车发展带来了如此大的潜力，为什么它们还没有成为电动汽车制造的黄金标准呢？

电动汽车的现有问题

除了超级电容器自身的独特缺点外，所有与电动汽车普及相关的问题也同样适用于超级电容器。只有当人们对电气化的兴趣普遍高涨时，围绕新电动汽车技术的投资、开发和讨论才会增加。如果政府和企业能够提升公众和商业实体对电气化交通的兴趣，那么更多的超级电容器应用将会随之而来。

成本

制造配备超级电容器的电动汽车的成本高于标准车型。尽管制造商愿意为此进行投资，但这些成本最终会转嫁给消费者，从而严重阻碍其普及。

这促使研究人员探索在汽车整个生命周期内节省成本的机会。专家们研究了如何利用超级电容器来优化公共交通中加油和充电基础设施的相关成本。多能源管理解决方案被证明是有效的，结果运营成本降低了46.48%。

电压限制

与传统电动汽车相比，超级电容器的工作电压较低。如果汽车制造商和工程师希望将现有设计改为使用超级电容器，可能需要进行重新配置或使用电压转换器。考虑到超级电容器旨在简化电动汽车架构，这可能会使车辆结构变得比实际需要的更加复杂。

能量密度和存储容量较低

由于锂离子电池的化学特性，其单位重量可以存储更多的能量。即使再生制动和其他动力辅助功能能够延长续航里程，但较低的能量密度仍然会导致续航里程缩短。同样，超级电容器的存储能力有限，因为它们以短脉冲的形式释放能量。

因此，扩大存储容量是研究的重点。例如，研究人员利用机器学习设计了一种新型超级电容器材料，其能量存储量是普通电容器的四倍。多孔碳可能是增强电容的下一个重要方向。

影响电动汽车的实际应用

多家公司正在试验超级电容器在电动汽车中的应用。随着这些公司成为行业思想领袖，它们可能会推动超级电容器在整个行业的普及。其中最具影响力的几家公司是哪些？

瑞士初创公司Morand正通过其创新的混合超级电容器技术解决储能难题，该技术非常适合通勤电动汽车和电动自行车。该技术可在两分钟内充电至98%，并且随着其型号的量产，将力争在价格上与锂离子电池竞争对手持平。

另一项与丸红株式会社和Skeleton Technologies的合作旨在扩大超级电容器的市场推广，覆盖更广泛的受众。此次合作解决了超级电容器推广的另一个障碍——零部件获取问题。最终，他们的工作可以将这项技术引入欧洲和亚洲的汽车制造商。

虽然这些超级电容器开发商仍在继续进行复杂的研究，但宝马、奥迪和丰田等汽车制造商已经在某些车型中应用了超级电容器技术。他们已经对再生制动改进和混合动力设置进行了探索，以寻找进一步的发展方向。一旦行业内各方与汽车制造商达成协议，到2028年，市场规模可能达到2.394亿美元。

超越超级电容器在电动汽车领域的应用

最近的研究成果将推动超级电容器进入电动汽车应用的新纪元。它有望通过进一步展现超级电容器的全部运行潜力，改变社会对电动汽车潜力的固有认知。正如锂离子电池并非电池发展的终点，超级电容器也不应止步于此。这些改进将激励工程师和汽车专家继续探索改进电动汽车性能的方法，为实现可持续发展的未来贡献力量。

（原文刊登于EE Times姊妹网站Power Electronics News，参考链接：Can Ultracapacitors Power the Next Generation of EVs?，由Franklin Zhao编译。）