Superkondenzátor vs baterie

Existuje dlouhá debata o tom, že Superkondenzátory v budoucnu převáží trh s bateriemi. Před několika lety, kdy byly k dispozici superkondenzátory, došlo k obrovskému humbuku a mnozí očekávali, že nahradí baterie v komerčních elektronických výrobcích a dokonce i v elektrických vozidlech. Nic takového se ale ve skutečnosti nestalo, protože Superkondenzátory i baterie se od sebe zcela liší a mají své vlastní aplikace.

Zábavný fakt: Téměř všechny moderní ovladače airbagů jsou napájeny superkondenzátory kvůli jejich rychlé době odezvy na baterie.

Ve srovnání s baterií je Supercapacitor nebo Ultracapacitor zdrojem energie s vysokou hustotou nebo úložištěm s velkou kapacitou na krátkou dobu. V tomto článku se budeme zabývat Supercapacitorem vs baterií (lithium / olověnou kyselinou) o různých parametrech a zakončíme případovou studií pro inženýra, aby pochopil, kde by bylo možné vybrat superkapacitor přes baterii pro jeho aplikace. Pokud jste nováčkem v Supercapacitorech, pak se důrazně doporučuje naučit se základy Supercapacitorů, než budete pokračovat dále.

Hustota výkonu

Superkondenzátory mají vysokou hustotu energie než stejná jmenovitá baterie. Ačkoli na trhu existují různé druhy baterií, například lithium-iontové, polymerové a olověné baterie mají různou hustotu energie, od 1000 Wh na kg do 2000 Wh na kg. Hodnocení se také mohou velmi lišit v závislosti na výrobním procesu. Srovnávací tabulka níže ukazuje hustotu výkonu Supercapacitor vs baterie.

U superkondenzátoru se však hustota výkonu pohybuje od 2500 Wh na kg do 45000 Wh na kg. To je mnohem větší než hustota výkonu stejných jmenovitých baterií.

Díky vysoké hustotě výkonu je superkondenzátor užitečným zdrojem energie, kde je vyžadován větší špičkový proud.

Napětí článku

V různých druzích aplikací je často velkým faktorem vstupní napětí. Je zřejmé, že na trhu existují různé druhy regulátorů napětí, ale přesto se vstupní napětí přes regulátor stalo důležitou součástí aplikace. Níže uvedený obrázek ukazuje výstupní napětí Supercapacitor vs Battery pro stejný počet článků.

Například aplikace s lineárním regulátorem napětí, jako je 7812, vyžaduje vstup alespoň 15 V. Jednočlánková lithiová baterie poskytuje 3,2 voltu při nejnižším stavu nabití a 4,2 voltu při nejvyšším stavu nabití. Proto je pro kompenzaci se specifikací vstupního napětí zapotřebí alespoň 5 baterií v sériovém zapojení, ale superkondenzátor by mohl poskytovat výstup 2,5 voltu až 5,5 voltu. Superkondenzátory mají vysoké napětí článků 5,5 V ve srovnání s 3,7 V typické lithiové baterie. Ignorující další omezení superkondenzátoru tedy návrhář obvodu může vybrat tři superkondenzátory 5,5 voltů v sérii. Přes baterii je to nepochybně plusový bod superkondenzátorů v situacích omezujících prostor nebo optimalizaci nákladů pro účely.

Účinnost

Pokud jde o účinnost, superkondenzátory jsou o 95% účinnější než baterie, které jsou 60-80% účinné při plném zatížení. Baterie s vysokým zatížením odvádějí teplo, což přispívá k nízké účinnosti. Teplota baterie a další parametry by také měly být sledovány během nabíjení a vybíjení pomocí systému správy baterie (BMS), zatímco u superkondenzátorů nemusí být takové přísné monitorovací systémy zapotřebí. Účinnost ultrakondenzátor vs baterie je znázorněn na níže uvedené klasifikační stupnice. Je však třeba poznamenat, že Supercapacitor také generuje nominální teplo během provozu.

Opakovaná použitelnost a životnost

Životnost baterie je vysoce závislá na cyklech nabíjení a vybíjení. V případě lithiových a olověných baterií jsou doby nabíjení a vybíjení omezeny od 300 do 500 cyklů, někdy to může být maximálně 1000krát. Životnost lithiových baterií bez situace nabíjení a vybíjení může trvat 7 let.

Superkondenzátor má téměř nekonečné nabíjecí cykly, může být nabíjen a vybíjen mnohokrát; může to být od 1 lakh do 1 milionu času. Životnost superkondenzátoru je také vysoká. Supercapacitor může trvat 10-18 let, zatímco olověné baterie vydrží jen asi 3-5 roky.

Faktor výbojového napětí

Baterie poskytuje relativně konstantní výstupní napětí. Ale výstupní napětí superkondenzátoru během vybíjení klesá. Proto při použití baterií jako zdroje energie lze použít buck nebo boost regulátor v závislosti na požadavcích aplikace, ale při použití superkondenzátoru je populární volbou použít pro kompenzaci ztráty vstupního napětí širokopásmový boost převodník.

Doba nabíjení

Různé baterie používají různé nabíjecí algoritmy. K nabíjení lithium-iontových baterií se používají nabíječky s konstantním napětím a konstantním proudem. Nabíječka musí být speciálně nakonfigurována tak, aby detekovala stav nabití baterie a teplotu. V případě olověných baterií se používá metoda udržovacího nabíjení.

Celkově lze nabití baterií bez ohledu na lithium-iontovou nebo olověnou kyselinu zabrat několik hodin. Supercapacitor má večeře rychlé nabíjení čas; k úplnému nabití potřebuje velmi krátkou dobu. Proto u aplikací, kde je vyžadována velmi krátká doba nabíjení, superkondenzátory rozhodně vyhrávají nad stejnou kapacitou baterií.

Náklady

Cena je důležitým parametrem pro problémy spojené s designem produktu. Superkondenzátory jsou nákladnou alternativou, pokud se používají místo baterií. Cena se někdy velmi zvýší, například 10krát vyšší ve srovnání se stejnou kapacitou baterie.

Rizikové faktory

Lithiové nebo olověné baterie vyžadují během provozu nebo nabíjení zvláštní péči nebo pozornost. Zejména u lithium-iontových baterií je třeba nakonfigurovat topologii nabíjení tak, aby baterie nebyla přebíjena nebo nabíjena vyšší proudovou kapacitou, než jaká ve skutečnosti může baterie přijmout. To zvyšuje riziko výbuchu, kdykoli je baterie přebitá nebo nabitá vysokým proudem.

Nejen při nabíjení, ale i při vybití je třeba baterie opatrně používat. Stav hlubokého vybití by mohl potenciálně poškodit životnost baterie. Proto je nutné baterii po dosažení určité úrovně nabití odpojit od zátěže. Zkrat baterie je také nebezpečná situace.

Superkondenzátory jsou z hlediska výše uvedených rizikových faktorů bezpečnější než baterie. Nabíjení superkondenzátoru pomocí vyššího napětí, než je jeho jmenovité napětí, je však pro superkondenzátory potenciálně škodlivé. Při nabíjení více než jednoho kondenzátoru se to však může stát složitou prací.

Případová studie

Uvažujme o situaci, kdy chceme rozsvítit 10 paralelních LED na 1 hodinu. Pro tuto aplikaci zjistíme, že jako inženýr bychom měli zvážit použití superkondenzátoru nebo lithiové baterie?

Předpokládejme, že LED diody odebírají 30 mA proudu při 2,5 V. Proto bude příkon 10 LED paralelně

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

Nyní lze za 1 hodinu používání, což je 3 600 sekund, vypočítat potřebnou energii jako

3600 x 0,75 = 2700 Joulů.

Pokud vezmeme v úvahu superkapacitor 10F 2,5V, může uložit E = 1 / 2CV ^2, což je

½ x 10 x 2,5 ² = 31.25 Joulů

Proto je potřeba paralelně se stejným hodnocením alespoň 85 Superkondenzátorů. Je zřejmé, že v této konkrétní aplikaci bude baterie první volbou. Pokud se však tato aplikace změnila na konkrétní aplikaci, kde je stejné množství energie vyžadováno pouze po dobu 30 sekund, může být Supercapacitor volbou, protože může být nabíjen velmi rychle a lze jej používat po velmi dlouhou dobu.

Závěr

Výše uvedené srovnání se provádí pouze mezi konkrétními bateriemi (lithiové nebo olověné) se superkondenzátory. Existují však různé baterie s různým chemickým složením. Na druhé straně jsou na trhu také různé superkondenzátory s různým chemickým složením, jako je vodný elektrolytický superkondenzátor nebo s iontovým kapalným superkondenzátorem, jakož i hybridní a organické elektrolytické superkondenzátory. Různá složení mají různé pracovní vlastnosti a technické parametry.

Superkondenzátory mají z hlediska aplikace mnohem více kladných bodů než baterie. Ve srovnání s bateriemi má ale také negativní stránky. Proto je použití superkondenzátorů velmi závislé na typu aplikace.