zt再探「超級電容」的奧妙(之一)

电容车

如何鼓勵F1參賽車隊與引擎供應商全力發展賽車科技、卻同時兼顧車手在比賽內的重要性與比賽精彩程度(超車次數)，這個過去被視為高難度的挑戰目標現在有了新的方向。


FIA主席Max Mosley兩週前與積極參與F1比賽的國際大廠交換意見，車廠們對於「超級電容」(Ultracapacitor)與新空力規定的提議表示高度支持。繼兩週前的「專家筆記」後，我們再對「超級電容」這項技術進行更深入的研究、同時見證BMW車廠開發「超級電容」系統的成果！

許多車迷對「油電混合動力」(Hybrid)這個名詞並不陌生，Toyota Pruis(獲得2003年歐洲年度風雲車)趁著消費者擔心高油價的優勢在全球熱賣，「回收煞車減速時所浪費的能量」在過去被視為高不可攀的技術、現在已飛入尋常百姓家。以Daihatsu車廠剛推出的DMHS(Daihatsu Mild Hybrid System)系統為例，這具排汽量660 c.c.的Hybrid引擎系統採用鎳氫充電電池及輸出功率9.4 kW的DC直流電無刷馬達，工作電壓則為216V，不可否認、「油電混合動力」(Hybrid)系統的效率已經比現有汽油引擎車型高出30％，但是在現有的技術架構下、仍有不少進步空間。締造突破性進展的關鍵就在「超級電容」！

「超級電容」技術因可能出現在F1賽道內而受到許多關注「油電混合動力」的理論「回收煞車時所浪費的能源」說來並不困難，在實用化的過程卻遭遇到許多技術瓶頸！汽車工程師一直希望找到一個高速、有效率而且成本低廉的能量儲存媒介，目前多數Hybrid系統使用的充電電池技術其實並不合適：煞車所產生的能量與電流皆以短時間供應。而不論鎳氫、鎳鎘甚至更老舊的鉛酸續電池在設計時都以「長時間充電」為考量，在極短時間內的充電效率都很差。汽車工程師也曾推出一種密封於真空狀態的高轉速飛輪(Flywheel)做為儲能媒介，但如何將轉速超過100000 RPM的高速飛輪與多數時間轉速僅5000 RPM轉以下的離合器飛輪整合？這個問題一直困擾著汽車工程師，其他包括壓縮空氣、甚至巨型橡皮筋(就像你我小時候玩的模型飛機之動力來源)等構想都曾提出，但與實用化階段都還有一段不短的距離。

誕生於美國洛斯亞拉莫斯國家實驗室 (Los Alamos National Laboratory) 的超級電容(Ultracapacitor)由碳與有機電解質組成，它透過感應材料之間轉移電荷的原理，理論上可以幾乎無限期(充放電循環超過數百萬次)地被充電和被釋放、而且其壽命是普通電池的十倍並無需維護，在極高的溫度和電壓下也能可靠工作。超級電容是介乎電池和普通的電容器(Capacitor)之間的電子元件，存在於每一個電子器材內的傳統電容器可不斷地充電及放電，但它不能貯藏能源、所以放電的時間十分短暫，只有數微秒(microseconds)。而超級電容一樣可以貯藏大量能源，並可以在短時間內釋放爆炸性的電流，因為它是利用移動導體(conductors)間的電子，而不是依靠化學反應，所以它可以循環充電及放電。許多人相信這項技術在通訊、交通及電腦計算的領域內都有很大的應用價值，汽車、行動電話是最有可能採用超級電容技術的殺手級應用產品！

其實電子元件大廠早就看出超級電容的龐大市場潛力：德國西門子與日本松下電子(Matsushita)在16年前就合資成立了EPCOS公司負責將超級電容「商品化」，至今EPCOS公司已推出超過40000種以上應用「超級電容」技術的產品。