大多數(shù)公眾以及工程師都會(huì)定期處理可充電電池,但它們是手持設(shè)備和小家電中相對(duì)較小的電池,容量在 mA-hr 范圍內(nèi)。但那里還有另一個(gè)世界,一個(gè)更大的電池,例如用于 HEV 和 EV 的電池,它對(duì)生產(chǎn)和材料要求產(chǎn)生巨大影響。
對(duì)于工程師來(lái)說(shuō),使用風(fēng)能、太陽(yáng)能甚至水等無(wú)污染能源的最大障礙之一是它們固有的間歇性可用性,這對(duì)工程師來(lái)說(shuō)已經(jīng)不是什么新鮮事了(盡管許多記者和其他滿懷幻想的專家似乎并不理解這個(gè)事實(shí))。簡(jiǎn)而言之:存儲(chǔ)對(duì)于成功實(shí)施這種類型的能源系統(tǒng)與發(fā)電本身一樣重要。
電池回收原則上是一件好事,因?yàn)樗兄诨厥者M(jìn)入這些電化學(xué)儲(chǔ)能容器的許多獨(dú)特和特殊的元素(包括稀土)。對(duì)于作為最終用戶的普通消費(fèi)者而言,回收工作的開(kāi)始和結(jié)束都是將電池扔進(jìn)商店或回收中心的那些獨(dú)特的“在這里回收電池”盒子。我在某處(對(duì)不起,不記得在哪里)讀到汽車中大約 90% 的鉛酸電池被回收,但只有大約 5-10% 的消費(fèi)者 AAA、AA、C、D、9-V、按鈕,紐扣電池被回收利用——所以還有很長(zhǎng)的路要走。
電動(dòng)汽車將改變能源和自動(dòng)化市場(chǎng),促進(jìn)對(duì)智慧城市的重大投資。這些變化與向更清潔、更分散和數(shù)字化環(huán)境的演變相吻合。電動(dòng)汽車 (EV) 充電可能會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成局部限制和穩(wěn)定性問(wèn)題,并降低電氣化的環(huán)境效益。支持電動(dòng)汽車的投資和基礎(chǔ)設(shè)施將從一個(gè)地方到另一個(gè)地方發(fā)生重大變化。
電池和能量電池會(huì)隨著老化而失去容量。如果電池或電池的容量過(guò)低,我們的設(shè)備也可能很快停止工作。我們可以使用圖 1 中的電路來(lái)測(cè)量電池的放電時(shí)間。該電路使用機(jī)電時(shí)鐘和 DVM(數(shù)字電壓表)。測(cè)試前電池應(yīng)充滿電。該電路以固定電流對(duì)電池進(jìn)行放電,并測(cè)量電池從 100% 放電至 0% 所需的時(shí)間。
假設(shè)我們需要測(cè)試 1.5V、AA 尺寸的堿性電池。我們可以應(yīng)用短路并測(cè)量電流,也可以測(cè)量開(kāi)路電壓,但兩種方法都不能正確測(cè)試電池。大約 250 mA 的合適測(cè)試電流可為我們提供更合理的測(cè)試。我們可以在 1.5V 下使用 6Ω 電阻負(fù)載,如果電池狀況良好,它會(huì)在 25°C 的環(huán)境溫度下產(chǎn)生 1.46V 的輸出電壓。劣質(zhì)電池可能產(chǎn)生低于 1.2V 的電壓。給定負(fù)載,1.2V 的輸出電流將為 200 mA 而不是 250 mA。電池將只有 80% 的滿載電流。相反,我們可以使用圖 1 中的電路 來(lái)產(chǎn)生恒流負(fù)載。
您肯定知道風(fēng)力發(fā)電是一種可靠的能源,并且已經(jīng)看到那些帶有緩慢旋轉(zhuǎn)葉片的大塔。(我對(duì)這些塔以及風(fēng)作為大量穩(wěn)定電力的可行來(lái)源有矛盾的感覺(jué),但這是另一天的討論。)
在住宅、商業(yè)、校園甚至電網(wǎng)級(jí)別進(jìn)行更大規(guī)模的儲(chǔ)能是一項(xiàng)挑戰(zhàn),沒(méi)有明確的最佳解決方案。選項(xiàng)包括電化學(xué)(電池)、勢(shì)能(升高的水或重量)、氫(通過(guò)燃料電池)、相變材料(熔鹽)和機(jī)械功(在巨大的水箱或洞穴中壓縮/減壓空氣)幾種可能性。
無(wú)論如何,在衰落一個(gè)世紀(jì)后,電池又開(kāi)始受到重視。這一趨勢(shì)是在巨額投資的推動(dòng)下進(jìn)行的,研究不僅在電動(dòng)汽車領(lǐng)域展開(kāi),還在手機(jī)或游戲機(jī)等其他重要領(lǐng)域展開(kāi)。這些蓄能器正在沿著不可思議的道路前進(jìn)。
隨著我們?cè)谌粘I钪懈嗟剞D(zhuǎn)向使用無(wú)線產(chǎn)品,電力電子研究同時(shí)也在為電動(dòng)汽車 (EV) 等事物發(fā)展無(wú)線充電的新趨勢(shì)。許多國(guó)家現(xiàn)在正在實(shí)施燃油經(jīng)濟(jì)性法規(guī)并推動(dòng)以電動(dòng)汽車取代汽油車的舉措;因此,汽車制造商現(xiàn)在非常關(guān)注電動(dòng)汽車的開(kāi)發(fā)。雖然鋰離子電池和超級(jí)電容器等技術(shù)進(jìn)步大有希望,但更平穩(wěn)地向電動(dòng)汽車過(guò)渡的主要要求是基礎(chǔ)設(shè)施和合適的快速充電系統(tǒng)的可用性。
眾所周知,隨著汽車智能化和網(wǎng)聯(lián)化的演進(jìn),汽車上配裝的芯片數(shù)量和種類越來(lái)越多,但芯片產(chǎn)能并沒(méi)有及時(shí)跟上,且工業(yè)電源應(yīng)用、消費(fèi)電子、電力、通信及其他領(lǐng)域?qū)τ诎雽?dǎo)體產(chǎn)品也存在著巨大的需求。更何況,在去年疫情暴發(fā)后,大量汽車組裝廠關(guān)閉,很多車企也誤判了車市復(fù)蘇的速度以及對(duì)芯片的需求,導(dǎo)致大量芯片資源向筆記本電腦、智能手機(jī)等消費(fèi)電子產(chǎn)品傾斜。再加上車規(guī)級(jí)芯片的技術(shù)門(mén)檻相對(duì)較高,生產(chǎn)周期也較長(zhǎng),不可能像口罩等防疫物資一樣快速投產(chǎn)。
在許多較大的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,通常有多種可能性和方法來(lái)提供基本電源。例如,在電力與碳?xì)浠衔镏g可能存在基本選擇,然后是更多細(xì)節(jié):清除和收獲、太陽(yáng)能、風(fēng)能、天然氣、丙烷、甲烷、壓縮空氣……這是一個(gè)很長(zhǎng)的清單。然而,假設(shè)傳統(tǒng)上使用的電源是正確的也是正常的,尤其是當(dāng)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)對(duì)這種方法有一定的經(jīng)驗(yàn)時(shí)。
無(wú)論是運(yùn)行可穿戴設(shè)備還是為電動(dòng)汽車供電,電池壽命都是讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)師(和消費(fèi)者)夜不能寐的問(wèn)題。與電子行業(yè)的所有可比進(jìn)步相比,電池技術(shù)的創(chuàng)新非常緩慢。 在智能手機(jī)業(yè)務(wù)中,設(shè)計(jì)工程師花費(fèi)大量時(shí)間和資源來(lái)嘗試改進(jìn)電池管理系統(tǒng) (BMS)。在電池業(yè)務(wù)中,即使是微小的改進(jìn),研究人員也會(huì)不斷地大驚小怪和調(diào)整。
關(guān)于研究大腦的故事也是一個(gè)關(guān)于為此設(shè)計(jì)技術(shù)的故事。過(guò)去幾十年最成功的神經(jīng)科學(xué)設(shè)備之一是神經(jīng)探針或微小的針狀大腦植入物,它們可以從單個(gè)神經(jīng)元接收信號(hào)。記錄大腦活動(dòng)提供了一個(gè)獨(dú)特的視角,以了解神經(jīng)元如何在復(fù)雜的電路中進(jìn)行交流以處理信息和控制行為。最終需要大規(guī)模的錄音來(lái)了解大腦的工作原理并開(kāi)發(fā)更先進(jìn)的腦機(jī)接口。
主導(dǎo)電動(dòng)汽車市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)取決于電池技術(shù)和改進(jìn)的充電基礎(chǔ)設(shè)施,以及標(biāo)價(jià)、軟件更新和造型。正因如此,中國(guó)企業(yè)紛紛投入巨資,匹配并超越特斯拉行業(yè)領(lǐng)先的電池技術(shù)和制造能力。 特斯拉是否正在努力實(shí)現(xiàn)每千瓦時(shí) 100 美元的電池組成本?