Superkondenzátor vs batéria

Existuje dlhá debata, že superkondenzátory v budúcnosti prekonajú trh s batériami. Pred niekoľkými rokmi, keď boli superkondenzátory sprístupnené, došlo k obrovskému humbuku a mnohí očakávali, že nahradí batérie v komerčných elektronických výrobkoch a dokonca aj v elektrických vozidlách. Ale nič také sa v skutočnosti nestalo, pretože Superkondenzátory aj Batérie sa navzájom úplne líšia a majú svoje vlastné aplikácie.

Zábavný fakt: Takmer všetky moderné ovládače airbagov sú napájané superkondenzátormi kvôli ich rýchlej dobe odozvy na batérie.

V porovnaní s batériou je Supercapacitor alebo Ultracapacitor zdrojom energie s vysokou hustotou alebo skladom s obrovskou kapacitou na krátke časové obdobie. V tomto článku sa budeme zaoberať Superkondenzátorom vs Batéria (lítium / kyselina olovnatá) o rôznych parametroch a na záver uvedieme prípadovú štúdiu pre inžiniera, ktorý pochopí, kde by sa dal pre jeho aplikácie zvoliť superkondenzátor nad batériou. Ak ste nováčikmi v Superkondenzátoroch, potom sa dôrazne odporúča osvojiť si základy Superkondenzátorov skôr, ako budete pokračovať ďalej.

Hustota výkonu

Superkondenzátory majú vysokú hustotu energie ako batéria s rovnakou hodnotou. Aj keď sú na trhu rôzne druhy batérií, napríklad lítium-iónové, polymérové ​​a olovené batérie majú rôznu hustotu výkonu od 1 000 Wh na kg do 2 000 Wh na kg. Hodnotenia sa tiež môžu veľmi líšiť v závislosti od výrobného procesu. Porovnávacia tabuľka nižšie zobrazuje hustotu výkonu Supercapacitor vs Battery.

Ale v prípade superkondenzátora sa hustota výkonu pohybuje od 2 500 Wh na kg do 45 000 Wh na kg. To je oveľa väčšie ako hustota výkonu tých istých batérií.

Vďaka vysokej hustote výkonu je superkondenzátor užitočným zdrojom energie, kde sa vyžaduje väčší špičkový prúd.

Napätie článku

V rôznych druhoch aplikácií je často veľkým faktorom vstupné napätie. Je zrejmé, že na trhu existujú rôzne druhy regulátorov napätia, ale vstupné napätie cez regulátor sa stále stalo dôležitou súčasťou aplikácie. Na nasledujúcom obrázku je zobrazené výstupné napätie Supercapacitor vs Battery pre rovnaký počet článkov.

Napríklad aplikácia s lineárnym regulátorom napätia ako 7812 vyžaduje vstup najmenej 15 V. Jednočlánková lítiová batéria poskytuje 3,2 voltu pri najnižšom stave nabitia a 4,2 voltu pri najvyššom stave nabitia. Preto je na vyrovnanie so špecifikáciou vstupného napätia potrebných najmenej 5 batérií zapojených do série, ale superkondenzátor by mohol poskytnúť výstup 2,5 voltu až 5,5 voltu. Superkondenzátory majú vysoké napätie článkov 5,5 V v porovnaní s 3,7 V typickej lítiovej batérie. Teda, ignorujúc ďalšie obmedzenia superkondenzátora, môže návrhár obvodov zvoliť tri superkondenzátory 5,5 voltov v sérii. Cez batériu je to nepochybne plusový bod superkondenzátorov v situáciách obmedzeného priestoru alebo optimalizácie nákladov na účely.

Účinnosť

Pokiaľ ide o účinnosť, superkondenzátory sú o 95% účinnejšie ako batérie, ktoré sú pri plnom zaťažení účinné o 60-80%. Batérie s vysokým zaťažením odvádzajú teplo, čo prispieva k nízkej účinnosti. Teplota batérie a ďalšie parametre by sa mali tiež monitorovať počas nabíjania a vybíjania pomocou systému správy batérií (BMS), zatiaľ čo u superkondenzátorov nemusia byť také prísne monitorovacie systémy potrebné. Účinnosť ultrakondenzátor vs batérie je znázornený na nižšie uvedené stupnice. Je však potrebné poznamenať, že Supercapacitor počas prevádzky vytvára aj nominálne teplo.

Opätovná použiteľnosť a životnosť

Životnosť batérie je veľmi závislá od cyklov nabíjania a vybíjania. V prípade lítiových a olovených batérií je doba nabíjania a vybíjania obmedzená od 300 do 500 cyklov, niekedy to môže byť až 1000-krát. Životnosť lítiových batérií bez nabíjania a vybíjania môže trvať 7 rokov.

Superkondenzátor má takmer nekonečné nabíjacie cykly, dá sa nabíjať a vybíjať mnohokrát; môže to byť od 1 lakh do 1 milióna času. Vysoká je aj životnosť superkondenzátora. Supercapacitor môže trvať 10-18 rokov, zatiaľ čo olovené batérie vydržia len asi 3-5 roky.

Faktor vybíjacieho napätia

Batéria poskytuje relatívne konštantné výstupné napätie. Ale výstupné napätie superkondenzátora klesá počas vybíjania. Preto pri použití batérií ako zdroja energie možno použiť buck alebo boost regulátor v závislosti na požiadavkách aplikácie, ale pri použití superkondenzátora je populárnou voľbou použitie širokopásmového zosilňovača na kompenzáciu straty vstupného napätia.

Doba nabíjania

Rôzne batérie používajú rôzne nabíjacie algoritmy. Na nabíjanie lítium-iónových batérií sa používajú nabíjačky s konštantným napätím a nabíjaním konštantným prúdom. Nabíjačka musí byť špeciálne nakonfigurovaná na detekciu stavu nabitia batérie a teploty. V prípade olovených batérií sa používa metóda udržovacieho nabíjania.

Celkove nabitie batérií bez ohľadu na lítium-iónové alebo olovené kyseliny trvá úplné nabitie hodiny. Supercapacitor má večera rýchle nabíjanie čas; na úplné nabitie je potrebných veľmi krátke obdobie. Preto pre aplikácie, kde je vyžadovaná doba nabíjania veľmi kratšia, superkondenzátory rozhodne zvíťazia nad rovnakou kapacitou batérií.

Náklady

Cena je dôležitým parametrom pre problémy spojené s dizajnom produktu. Superkondenzátory sú nákladnou alternatívou, ak sa používajú namiesto batérií. Cena je niekedy veľmi vysoká, napríklad 10-krát vyššia v porovnaní s rovnakou kapacitou batérie.

Rizikové faktory

Lítiové alebo olovené batérie vyžadujú počas prevádzky alebo nabíjania osobitnú starostlivosť alebo starostlivosť. Najmä pre lítium-iónové batérie je potrebné nakonfigurovať nabíjaciu topológiu takým spôsobom, aby batéria nemala byť prebíjaná alebo nabíjaná vyššou prúdovou kapacitou, ako je kapacita batérie v skutočnosti prijateľná. To zvyšuje riziko výbuchu vždy, keď je batéria prebitá alebo nabitá vysokým prúdom.

Nielen v stave nabíjania, ale aj pri vybití je potrebné batérie starostlivo ovládať. Podmienky hlbokého vybitia by mohli potenciálne poškodiť životnosť batérie. Preto je potrebné po dosiahnutí určitej úrovne nabíjania odpojiť batériu od záťaže. Nebezpečnou situáciou je aj skrat batérie.

Z hľadiska vyššie uvedených rizikových faktorov sú superkondenzátory bezpečnejšie ako batérie. Nabíjanie superkondenzátora pomocou vyššieho napätia, ako je jeho výkon, je však pre superkondenzátory potenciálne škodlivé. Pri nabíjaní viac ako jedného kondenzátora sa to však môže stať zložitou prácou.

Prípadová štúdia

Uvažujme o situácii, keď chceme na 1 hodinu rozsvietiť 10 paralelných LED diód. Pre túto aplikáciu zistíme, ako inžinier by sme mali zvážiť použitie superkondenzátora alebo lítiovej batérie?

Predpokladajme, že LED diódy odoberajú 30mA prúdu pri 2,5V. Preto bude príkon 10 LED paralelne

2,5 V x 0,03 x 10 = 0,75 W

Teraz je možné za 1 hodinu používania, čo je 3 600 sekúnd, vypočítať požadovanú energiu ako

3600 x 0,75 = 2700 joulov.

Ak vezmeme do úvahy 10F 2,5 V superkondenzátor, môže uložiť E = 1 / 2CV ^2, čo je

½ x 10 x 2,5 ² = 31.25 joulov

Preto človek potrebuje minimálne 85 superkondenzátorov paralelne s rovnakým hodnotením. Je zrejmé, že v tejto konkrétnej aplikácii bude batéria prvou voľbou. Ale ak sa táto aplikácia zmenila na konkrétnu aplikáciu, kde je potrebné rovnaké množstvo energie iba na 30 sekúnd, môže byť Supercapacitor výberom, pretože sa dá nabíjať veľmi rýchlo a dá sa používať veľmi dlho.

Záver

Vyššie uvedené porovnanie sa vykonáva iba medzi konkrétnymi batériami (lítium alebo kyselina olovená) so superkondenzátormi. Existujú však rôzne batérie s rôznym chemickým zložením. Na druhej strane sú na trhu tiež rôzne superkondenzátory s rôznymi chemickými zloženiami, ako napríklad vodný elektrolytický superkondenzátor alebo s iónovým kvapalným superkondenzátorom, ako aj hybridné a organické elektrolytické superkondenzátory. Rôzne zloženie má odlišné pracovné vlastnosti a technické parametre.

Superkondenzátory majú oveľa pozitívnejšie body z hľadiska aplikácie, ako batérie. V porovnaní s batériami má však aj negatívne stránky. Preto je použitie superkondenzátorov veľmi závislé od typu aplikácie.