Суперконденсатор против батареи

Существует долгая дискуссия о том, что суперконденсаторы в будущем возьмут верх на рынке батарей. Несколько лет назад, когда стали доступны суперконденсаторы, вокруг него поднялась огромная шумиха, и многие ожидали, что он заменит батареи в коммерческих электронных продуктах и ​​даже в электромобилях. Но на самом деле ничего подобного не произошло, потому что и суперконденсаторы, и аккумуляторы полностью отличаются друг от друга и имеют свои собственные приложения.

Интересный факт: почти все современные контроллеры подушек безопасности питаются от суперконденсаторов из-за их быстрого отклика от батарей.

По сравнению с батареей, суперконденсатор или ультраконденсатор является источником или накопителем энергии высокой плотности с огромной емкостью в течение короткого промежутка времени. В этой статье мы обсудим суперконденсатор и батарею (литиевую / свинцово- кислотную) по различным параметрам и завершим практическим примером для инженера, чтобы понять, где можно выбрать суперконденсатор вместо батареи для его приложений. Если вы новичок в суперконденсаторах, настоятельно рекомендуется изучить основы суперконденсаторов, прежде чем продолжить.

Удельная мощность

Суперконденсаторы имеют более высокую удельную мощность, чем батареи того же номинала. Хотя на рынке есть разные типы батарей, например, литий-ионные, полимерные, свинцово-кислотные батареи имеют разную удельную мощность, от 1000 Втч на кг до 2000 Втч на кг. Рейтинги также могут сильно различаться в зависимости от производственного процесса. Сравнительная таблица ниже показывает удельную мощность суперконденсатора по сравнению с батареей.

Но для суперконденсатора плотность мощности варьируется от 2500 Втч на кг до 45000 Втч на кг. Это намного больше, чем удельная мощность батарей того же номинала.

Из-за высокой плотности мощности суперконденсатор является полезным источником энергии там, где требуется больший пиковый ток.

Напряжение ячейки

В различных приложениях часто большое значение имеет входное напряжение. Очевидно, что на рынке доступны различные типы регуляторов напряжения, но, тем не менее, входное напряжение на регуляторе стало важной частью приложения. На рисунке ниже показано выходное напряжение суперконденсатора по сравнению с батареей для того же количества ячеек.

Например, приложение с линейным регулятором напряжения, например 7812, требует входного напряжения не менее 15 В. Одноэлементная литиевая батарея обеспечивает 3,2 В при минимальном заряде и 4,2 В при максимальном заряде. Следовательно, чтобы компенсировать входное напряжение, требуется как минимум 5 батарей, подключенных последовательно, но суперконденсатор может обеспечивать выходное напряжение от 2,5 до 5,5 вольт. Суперконденсаторы имеют высокое напряжение ячеек 5,5 В по сравнению с 3,7 В у типичной литиевой батареи. Таким образом, игнорируя другие ограничения суперконденсатора, разработчик схемы может выбрать три последовательно включенных суперконденсатора на 5,5 В. По сравнению с батареей, это, несомненно, плюс суперконденсаторов в ситуациях нехватки места или оптимизации затрат для целей.

Эффективность

С точки зрения эффективности суперконденсаторы на 95% эффективнее аккумуляторов, эффективность которых составляет 60-80% при полной нагрузке. Батареи при высокой нагрузке рассеивают тепло, что снижает эффективность. Кроме того, температура батареи и другие параметры должны контролироваться во время зарядки и разрядки с помощью системы управления батареями (BMS), тогда как в суперконденсаторах такие строгие системы мониторинга могут не понадобиться. Эффективность суперконденсатор против батареи показана на рисунке ниже. Однако следует отметить, что суперконденсатор также выделяет номинальное тепло во время работы.

Возможность повторного использования и срок службы

Срок службы батареи во многом зависит от циклов зарядки и разрядки. В случае литиевых и свинцово-кислотных аккумуляторов время зарядки и разрядки ограничено от 300 до 500 циклов, иногда это может быть максимум 1000 раз. Срок службы литиевых батарей без зарядки и разрядки может составлять 7 лет.

Суперконденсатор имеет практически бесконечные циклы заряда, его можно заряжать и разряжать огромное количество раз; это может быть от 1 лакха до 1 миллиона раз. Срок службы суперконденсатора также высок. Суперконденсатор может длиться в течение 10-18 лет, в то время как батарея свинцово-кислотная может длиться всего около 3-5 лет.

Коэффициент напряжения разряда

Батарея обеспечивает относительно постоянное выходное напряжение. Но выходное напряжение суперконденсатора уменьшается в условиях разряда. Поэтому при использовании батарей в качестве источника питания можно использовать понижающий или повышающий стабилизатор в зависимости от требований приложения, но при использовании суперконденсатора популярным выбором является использование повышающего преобразователя с широким диапазоном для компенсации потерь входного напряжения.

Время зарядки

В разных аккумуляторах используются разные алгоритмы зарядки. Для зарядки литий-ионных аккумуляторов используются зарядные устройства постоянного напряжения и постоянного тока. Зарядное устройство должно быть специально настроено для определения состояния заряда аккумулятора, а также температуры. Для свинцово-кислотных аккумуляторов используется метод непрерывной зарядки.

В целом, чтобы зарядить аккумуляторы, независимо от того, литий-ионные или свинцово-кислотные, для полной зарядки требуется несколько часов. Суперконденсатор был ужин быстро время зарядки; для полной зарядки требуется очень короткий период времени. Следовательно, для приложений, в которых требуется очень небольшое время зарядки, суперконденсаторы определенно выигрывают у батарей той же емкости.

Стоимость

Стоимость - важный параметр при решении вопросов, связанных с дизайном продукта. Суперконденсаторы - дорогостоящая альтернатива при использовании вместо батарей. Стоимость иногда становится очень высокой, например, в 10 раз выше по сравнению с той же емкостью аккумулятора.

Факторы риска

Литиевые или свинцово-кислотные батареи требуют особого ухода или внимания во время работы или зарядки. В особенности для литий-ионных аккумуляторов топология зарядки должна быть настроена таким образом, чтобы аккумулятор не перезаряжался или не заряжался током большей емкости, чем фактически может выдержать аккумулятор. Это увеличивает риск взрыва всякий раз, когда аккумулятор перезаряжается или заряжается большим током.

Не только в состоянии зарядки, но и с батареями также необходимо осторожно обращаться во время разрядки. Состояние глубокого разряда может потенциально снизить срок службы батареи. Следовательно, аккумулятор необходимо отключать от нагрузки после достижения определенного уровня заряда. Также опасной ситуацией является короткое замыкание аккумулятора.

Суперконденсаторы безопаснее батарей с точки зрения вышеуказанных факторов риска. Однако зарядка суперконденсатора с использованием более высокого напряжения, чем его номинальное, потенциально вредно для суперконденсаторов. Но при зарядке более одного конденсатора это может стать сложной задачей.

Пример использования

Рассмотрим ситуацию, когда мы хотим зажечь 10 параллельных светодиодов в течение 1 часа. Для этого приложения давайте выясним, следует ли нам, как инженеру, рассмотреть возможность использования суперконденсатора или литиевой батареи?

Предположим, светодиоды потребляют ток 30 мА при 2,5 В. Следовательно, мощность 10 параллельно включенных светодиодов будет

2,5 В x 0,03 x 10 = 0,75 Вт

Теперь для 1 часа использования, который составляет 3600 секунд, необходимое количество энергии можно рассчитать как

3600 x 0,75 = 2700 Джоулей.

Если мы рассмотрим суперконденсатор 10F 2,5V, он может хранить E = 1 / 2CV ^2, что составляет

½ х 10 х 2,5 ² = 31,25 Джоулей

Следовательно, необходимо параллельно использовать не менее 85 суперконденсаторов с таким же номиналом. Очевидно, что в этом конкретном приложении аккумулятор будет первым выбором. Но если это приложение преобразовано в конкретное приложение, в котором такое же количество энергии требуется только в течение 30 секунд, можно выбрать суперконденсатор, поскольку его можно заряжать очень быстро и использовать в течение очень длительного периода времени.

Заключение

Вышеупомянутое сравнение проводится только между конкретными батареями (литиевыми или свинцово-кислотными) с суперконденсаторами. Однако есть разные аккумуляторы с разным химическим составом. С другой стороны, на рынке также представлены различные суперконденсаторы с различным химическим составом, такие как водно-электролитический суперконденсатор или суперконденсатор с ионной жидкостью, а также гибридные и органические электролитические суперконденсаторы. Разные составы имеют разные рабочие характеристики и технические характеристики.

У суперконденсаторов гораздо больше плюсов с точки зрения применения, чем у аккумуляторов. Но у него есть и отрицательные стороны по сравнению с батареями. Таким образом, использование суперконденсаторов сильно зависит от типа приложения.