Superkondensator vs bateria

Toczy się długa debata, że ​​superkondensatory w przyszłości zdetronizują rynek baterii. Kilka lat temu, kiedy udostępniono superkondensatory, wywołało to ogromny szum i wielu spodziewało się, że zastąpi on baterie w komercyjnych produktach elektronicznych, a nawet w pojazdach elektrycznych. Ale nic takiego się właściwie nie wydarzyło, ponieważ zarówno superkondensatory, jak i baterie są całkowicie różne od siebie i mają swoje własne zastosowania.

Ciekawostka: Prawie wszystkie nowoczesne sterowniki poduszek powietrznych są zasilane przez superkondensatory ze względu na ich szybki czas reakcji w porównaniu z bateriami.

W porównaniu z baterią, superkondensator lub ultrakondensator jest źródłem energii o dużej gęstości lub akumulatorem o dużej pojemności na krótki okres czasu. W tym artykule omówimy superkondensator kontra akumulator (litowo-ołowiowy) na temat różnych parametrów i zakończymy studium przypadku dla inżyniera, aby zrozumieć, gdzie można wybrać superkondensator zamiast akumulatora do jego zastosowań. Jeśli jesteś nowicjuszem w superkondensatorach, zdecydowanie zalecamy nauczenie się podstaw superkondensatorów, zanim przejdziesz dalej.

Gęstość mocy

Superkondensatory mają dużą gęstość mocy niż ta sama bateria znamionowa. Chociaż na rynku są różne rodzaje akumulatorów, na przykład akumulatory litowo-jonowe, polimerowe, ołowiowo-kwasowe mają różną gęstość mocy, od 1000 Wh na kg do 2000 Wh na kg. Oceny mogą się również znacznie różnić w zależności od procesu produkcyjnego. Poniższa tabela porównawcza pokazuje gęstość mocy superkondensatora względem baterii.

Jednak w przypadku superkondensatora gęstość mocy waha się od 2500 Wh na kg do 45000 Wh na kg. To znacznie więcej niż gęstość mocy tych samych akumulatorów znamionowych.

Ze względu na dużą gęstość mocy superkondensator jest użytecznym źródłem zasilania, gdy wymagany jest większy prąd szczytowy.

Napięcie ogniwa

W różnych zastosowaniach często napięcie wejściowe ma duże znaczenie. Oczywiście na rynku dostępne są różne rodzaje regulatorów napięcia, ale nadal napięcie wejściowe na regulatorze stało się ważną częścią aplikacji. Poniższy rysunek przedstawia napięcie wyjściowe między superkondensatorem a akumulatorem dla tej samej liczby ogniw.

Na przykład aplikacja z liniowym regulatorem napięcia, takim jak 7812, wymaga wejścia co najmniej 15 V. Jednokomorowa bateria litowa zapewnia 3,2 V przy najniższym stanie naładowania i 4,2 V przy najwyższym stanie naładowania. Dlatego, aby zrekompensować napięcie wejściowe, wymagane jest co najmniej 5 akumulatorów połączonych szeregowo, ale superkondensator może zapewnić moc wyjściową od 2,5 V do 5,5 V. Superkondensatory mają wysokie napięcie ogniwa 5,5 V w porównaniu z 3,7 V typowej baterii litowej. Zatem ignorując inne ograniczenia superkondensatora, projektant obwodu może wybrać szeregowo trzy superkondensatory 5,5 V. W porównaniu z baterią, jest to niewątpliwie zaleta superkondensatorów w sytuacjach ograniczonej przestrzeni lub optymalizacji kosztów do celów.

Wydajność

Pod względem wydajności superkondensatory są o 95% bardziej wydajne niż akumulatory, które są sprawne w 60-80% w warunkach pełnego obciążenia. Akumulatory o dużym obciążeniu rozpraszają ciepło, co przyczynia się do niskiej wydajności. Ponadto podczas ładowania i rozładowywania należy monitorować temperaturę akumulatora i inne parametry za pomocą systemu zarządzania akumulatorami (BMS), podczas gdy w superkondensatorach takie ścisłe systemy monitorowania mogą nie być potrzebne. Wydajność Ultracapacitor vs akumulatora przedstawiono na rysunku poniżej. Należy jednak zauważyć, że superkondensator również generuje nominalne ciepło podczas pracy.

Wielokrotne użycie i żywotność

Żywotność baterii jest wysoce zależna od cykli ładowania i rozładowania. W przypadku akumulatorów litowych i kwasowo-ołowiowych czasy ładowania i rozładowania są ograniczone od 300 do 500 cykli, czasami może to być maksymalnie 1000 razy. Żywotność baterii litowych bez sytuacji ładowania i rozładowania może trwać 7 lat.

Superkondensator ma prawie nieskończone cykle ładowania, może być ładowany i rozładowywany ogromną liczbę razy; może trwać od 1 lakh do 1 miliona czasu. Żywotność superkondensatora jest również wysoka. Superkondensator może trwać 10-18 lat, podczas gdy akumulator ołowiowo-kwasowe może trwać tylko około 3-5 lat.

Współczynnik napięcia rozładowania

Akumulator zapewnia względnie stałe napięcie wyjściowe. Ale napięcie wyjściowe superkondensatora spada w warunkach rozładowania. Dlatego też, używając baterii jako źródła zasilania, można użyć regulatora buck lub boost w zależności od wymagań aplikacji, ale przy zastosowaniu superkondensatora, popularnym wyborem jest użycie szerokozakresowego przetwornika boost do kompensacji utraty napięcia wejściowego.

Czas ładowania

Różne akumulatory używają różnych algorytmów ładowania. Do ładowania akumulatorów litowo-jonowych stosuje się ładowarki stałonapięciowe i stałoprądowe. Ładowarka musi być specjalnie skonfigurowana, aby wykrywać stan naładowania akumulatora, a także temperaturę. W przypadku akumulatorów kwasowo-ołowiowych stosowana jest metoda ładowania podtrzymującego.

Ogólnie rzecz biorąc, pełne naładowanie akumulatorów, niezależnie od tego, czy są to baterie litowo-jonowe czy kwasowo-ołowiowe, zajmuje wiele godzin. Superkondensator jest kolacja szybki czas ładowania; do pełnego naładowania potrzebuje bardzo krótkiego czasu. Dlatego w zastosowaniach, w których wymagany jest bardzo krótszy czas ładowania, superkondensatory zdecydowanie wygrywają z taką samą pojemnością akumulatorów.

Koszt

Koszt jest ważnym parametrem w kwestiach związanych z projektowaniem produktu. Superkondensatory są kosztowną alternatywą, gdy są używane zamiast baterii. Koszt czasami jest bardzo wysoki, na przykład 10 razy wyższy w porównaniu z taką samą pojemnością baterii.

Czynniki ryzyka

Akumulatory litowe lub kwasowo-ołowiowe wymagają szczególnej ostrożności lub uwagi podczas pracy lub ładowania. W szczególności w przypadku akumulatorów litowo-jonowych, topologia ładowania musi być skonfigurowana w taki sposób, aby akumulator nie był przeładowywany lub ładowany prądem o większej pojemności, niż akumulator może faktycznie przyjąć. Zwiększa to ryzyko eksplozji w przypadku przeładowania lub naładowania akumulatora wysokim prądem.

Nie tylko w stanie naładowania, ale również akumulatory muszą być ostrożnie obsługiwane w sytuacjach rozładowywania. Stan głębokiego rozładowania może potencjalnie uszkodzić żywotność baterii. Dlatego akumulator należy odłączyć od obciążenia po osiągnięciu określonego poziomu naładowania. Również zwarcie baterii jest niebezpieczną sytuacją.

Superkondensatory są bezpieczniejsze od akumulatorów pod względem powyższych czynników ryzyka. Jednak ładowanie superkondensatora przy użyciu wyższego napięcia niż jego wartość znamionowa jest potencjalnie szkodliwe dla superkondensatorów. Ale ładowanie więcej niż jednego kondensatora może stać się skomplikowaną pracą.

Studium przypadku

Rozważmy sytuację, w której chcemy zapalić 10 równoległych diod LED na 1 godzinę. W tej aplikacji dowiedzmy się, czy jako inżynier powinniśmy rozważyć użycie superkondensatora czy baterii litowej?

Załóżmy, że diody LED pobierają prąd 30 mA przy 2,5 V. Dlatego moc 10 diod LED równolegle będzie

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

Teraz, na 1 godzinę użytkowania, czyli 3600 sekund, potrzebną energię można obliczyć jako

3600 x 0,75 = 2700 dżuli.

Jeśli weźmiemy pod uwagę superkondensator 10F 2,5 V, może on przechowywać E = 1 / 2CV ^2, czyli

I pół x 10 x 2,5 ² = 31,25 J

Dlatego potrzeba co najmniej 85 superkondensatorów równolegle o tej samej wartości. Oczywiście w tym konkretnym zastosowaniu bateria będzie pierwszym wyborem. Ale jeśli ta aplikacja zmieniła się w konkretną aplikację, w której ta sama ilość energii jest wymagana tylko przez 30 sekund, superkondensator może być wyborem, ponieważ może być ładowany bardzo szybko i może być używany przez bardzo długi czas.

Wniosek

Powyższe porównanie dotyczy tylko określonych akumulatorów (litowych lub kwasowo-ołowiowych) z superkondensatorami. Istnieją jednak różne akumulatory o różnym składzie chemicznym. Z drugiej strony na rynku dostępne są również różne superkondensatory o różnym składzie chemicznym, takie jak wodny superkondensator elektrolityczny lub z superkondensatorem z cieczą jonową, a także hybrydowe i organiczne superkondensatory elektrolityczne. Różne kompozycje mają różne właściwości robocze i specyfikacje.

Superkondensatory mają znacznie więcej pozytywnych punktów pod względem zastosowania niż baterie. Ale ma również negatywne strony w porównaniu z bateriami. Dlatego zastosowania superkondensatorów są wysoce zależne od rodzaju zastosowania.