Суперкондензатор срещу батерия

Има дълъг дебат, че суперкондензаторите ще отменят пазара на батерии в бъдеще. Преди няколко години, когато бяха предоставени суперкондензаторите, имаше голям шум за това и мнозина очакваха, че той ще замени батериите в търговските електронни продукти и дори в електрическите превозни средства. Но всъщност нищо подобно не се е случило, тъй като и суперкондензаторите, и батериите са напълно различни един от друг и те имат свои собствени приложения.

Забавен факт: Почти всички съвременни контролери на въздушни възглавници се захранват от суперкондензатори, поради тяхното бързо време за реакция над батериите.

В сравнение с батерията, суперкондензаторът или ултракондензаторът е източник на енергия с висока плътност или хранилище с огромен капацитет за кратък период от време. В тази статия ще обсъдим Supercapacitor vs Battery (Lithium / Lead Acid) за различни параметри и ще завършим с казус за инженер, който да разбере къде може да се избере суперкондензатор над батерия за неговите приложения. Ако сте начинаещ в Supercapacitors, тогава е силно препоръчително да научите основите на Supercapacitors, преди да продължите по-нататък.

Плътност на мощността

Суперкондензаторите имат висока плътност на мощността, отколкото същата номинална батерия. Въпреки че на пазара има различни видове батерии, например литиево-йонните, полимерните, оловно-киселинните батерии имат различна плътност на мощността, от 1000 Wh на kg до 2000 Wh на kg. Оценките също могат да варират много в зависимост от производствения процес. Таблицата за сравнение по-долу показва плътността на мощността на Supercapacitor спрямо Battery.

Но за суперкондензатор плътността на мощността варира от 2500 Wh на kg до 45000 Wh на kg. Това е много по-голямо от плътността на мощността на същите номинални батерии.

Поради голямата плътност на мощността, суперкондензаторът е полезен източник на енергия, където се изисква по-голям пиков ток.

Клетъчно напрежение

При различни видове приложения често входното напрежение е голям фактор. Очевидно на пазара се предлагат различни видове регулатори на напрежение, но въпреки това входното напрежение в регулатора стана важна част от приложението. Фигурата по-долу показва изходното напрежение на Supercapacitor vs Battery за същия брой клетки.

Например, приложение с линеен регулатор на напрежение като 7812 изисква поне 15V вход. Едноклетъчната литиева батерия осигурява 3,2 волта при най-ниско ниво на зареждане и 4,2 волта при най-високо ниво на зареждане. Следователно, за да се компенсира със спецификацията на входното напрежение, са необходими поне 5 батерии в последователно свързване, но суперкондензаторът може да осигури 2,5 волта до 5,5 волта на изход. Суперкондензаторите имат високо клетъчно напрежение от 5.5V в сравнение с 3.7V на типична литиева батерия. По този начин, пренебрегвайки други ограничения на суперкондензатора, конструкторът на вериги може да избере три последователни суперкондензатора от 5,5 волта. Над батерията това е несъмнено плюс на суперкондензаторите в ситуации на ограничени пространства или оптимизиране на разходите за целите.

Ефективност

По отношение на ефективността, суперкондензаторите са 95% по-ефективни от батериите, които са 60-80% ефективни при условия на пълно натоварване. Батериите с високо натоварване разсейват топлината, което допринася за ниска ефективност. Също така, температурата на батерията и други параметри трябва да се наблюдават по време на зареждането и разреждането, като се използва система за управление на батерията (BMS), докато в суперкондензаторите може да не са необходими такива строги системи за наблюдение. В ефективност на ултракондензатори срещу батерията се показва на по-долу фигура. Трябва обаче да се отбележи, че Supercapacitor генерира и номинална топлина по време на работа.

Многократна употреба и продължителност на живота

Продължителността на живота на батерията е силно зависима от циклите на зареждане и разреждане. В случай на литиеви и оловно-киселинни батерии, времето за зареждане и разреждане е ограничено от 300 до 500 цикъла, понякога може да бъде максимум 1000 пъти. Продължителността на живота без зареждане и разреждане на литиевите батерии може да продължи 7 години.

Суперкондензаторът почти има безкрайни цикли на зареждане, той може да се зарежда и разрежда за огромен брой пъти; може да бъде от 1 лак до 1 милион време. Продължителността на живота на суперкондензатора също е висока. А суперкондензатор може да продължи 10-18 години, докато батерия оловни може да продължи само около 3-5 години.

Коефициент на напрежение на разреждане

Батерията осигурява относително постоянно изходно напрежение. Но изходното напрежение на суперкондензатора намалява по време на разреждането. Следователно, докато се използват батерии като източник на захранване, може да се използва регулатор на усилване или усилване в зависимост от изискванията на приложението, но докато се използва суперкондензатор, е популярен избор да се използва преобразувател на усилване с широк диапазон за компенсиране на загубата на входното напрежение.

Време за зареждане

Различните батерии използват различни алгоритми за зареждане. За зареждане на литиево-йонни батерии се използват зарядни устройства с постоянно напрежение и постоянен ток. Зарядното устройство трябва да бъде специално конфигурирано, за да открие състоянието на зареждане на батерията, както и температурата. За случая с оловни акумулатори се използва метод за зареждане с капки.

Като цяло, за да заредите батерии, независимо от литиево-йонната или оловно-киселинната, са необходими часове, за да се заредите напълно. В суперкондензатор е вечерята бързо време за зареждане; необходим е много кратък период от време за пълно зареждане. Следователно, за приложенията, при които времето за зареждане трябва да бъде много по-малко, суперкондензаторите определено печелят от същия капацитет на батериите.

Разходи

Разходите са важен параметър за въпроси, свързани с дизайна на продукта. Суперкондензаторите са скъпа алтернатива, когато се използват вместо батерии. Разходите понякога стават много високи, като например 10 пъти по-високи в сравнение със същия капацитет на батерията.

Рискови фактори

Литиевите или оловно-киселинните батерии изискват специални грижи или внимание по време на работа или условия на зареждане. Особено за литиево-йонните батерии, топологията на зареждане трябва да бъде конфигурирана по такъв начин, че батерията да не се презарежда или зарежда с по-голям капацитет на тока, отколкото батерията действително може да приеме. Това увеличава риска от експлозия, когато батерията е презаредена или заредена с висок ток.

Не само в състояние на зареждане, но и с акумулаторите трябва да се работи внимателно по време на разреждането. Състоянието на дълбоко разреждане може потенциално да увреди живота на батерията. Следователно батерията трябва да бъде изключена от товара, след като е достигната до определено ниво на зареждане. Освен това късото съединение на батерията е опасна ситуация.

Суперкондензаторите са по-безопасни от батериите по отношение на горепосочените рискови фактори. Обаче зареждането на суперкондензатор с по-високо напрежение от номинала е потенциално вредно за суперкондензаторите. Но когато зареждате повече от един кондензатор, това може да се превърне в сложна работа.

Казус

Нека разгледаме ситуация, при която искаме да запалим 10 паралелни светодиода за 1 час. За това приложение нека разберем, като инженер трябва ли да обмислим използването на суперкондензатор или литиева батерия?

Да приемем, че светодиодите привличат 30 mA ток при 2.5V. Следователно мощността на 10 светодиода паралелно ще бъде

2,5V x 0,03 x 10 = 0,75 вата

Сега за 1 час използване, което е 3600 секунди, необходимата енергия може да бъде изчислена като

3600 х 0,75 = 2700 джаула.

Ако разгледаме 10F 2.5V суперкондензатор, той може да съхранява E = 1 / 2CV ^2, което е

И половина х 10 х 2,5 ² = 31,25 джаула

Следователно, човек се нуждае от най-малко 85 суперкондензатори паралелно със същия рейтинг. Очевидно в това конкретно приложение батерията ще бъде първият избор. Но ако това приложение се промени в конкретно приложение, при което същото количество енергия се изисква само за 30 секунди, Supercapacitor може да бъде избор, тъй като може да се зарежда много бързо и може да се използва за много дълъг период от време.

Заключение

Горното сравнение се извършва само между определени батерии (литиеви или оловни киселини) със суперкондензатори. Съществуват обаче различни батерии с различен химичен състав. От друга страна, на пазара има и различни суперкондензатори с различен химичен състав като воден електролитен суперкондензатор или с йонен течен суперкондензатор, както и хибридни и органични електролитни суперкондензатори. Различните състави имат различни работни характеристики и спецификации.

Суперкондензаторите имат много по-положителни точки по отношение на приложението, отколкото батериите. Но той има и отрицателни страни в сравнение с батериите. Следователно, употребата на суперкондензатори е силно зависима от вида на приложението.