- Gostota moči
- Celična napetost
- Učinkovitost
- Ponovna uporabnost in življenjska doba
- Faktor napetosti praznjenja
- Čas polnjenja
- Stroški
- Dejavniki tveganja
- Študija primera
- Zaključek
Dolga razprava je, da bodo superkondenzatorji v prihodnosti preglasili trg baterij. Nekaj let nazaj, ko so bili na voljo superkondenzatorji, je bilo zaradi tega hrup in mnogi so pričakovali, da bo zamenjal baterije v komercialnih elektronskih izdelkih in celo v električnih vozilih. Toda pravzaprav se ni zgodilo nič takega, saj se tako superkondenzatorji kot tudi baterije popolnoma razlikujejo in imajo svoje aplikacije.
Zabavno dejstvo: Skoraj vse sodobne krmilnike zračnih blazin napajajo superkondenzatorji zaradi njihovega hitrega odzivnega časa nad baterijami.
V primerjavi z baterijo je Supercapacitor ali Ultracapacitor vir energije z visoko gostoto ali hranilnik z veliko kapacitivnostjo za kratek čas. V tem članku bomo o različnih parametrih razpravljali o Supercapacitor vs Battery (Lithium / Lead Acid) in zaključili s študijo primera za inženirja, ki bo razumel, kje lahko za svoje aplikacije izbere supercapacitor nad baterijo. Če ste novinec v Supercapacitors, je zelo priporočljivo, da se pred nadaljevanjem naučite osnov Supercapacitors.
Gostota moči
Superkondenzatorji imajo veliko gostoto moči kot enaka nazivna baterija. Čeprav na trgu obstajajo različne vrste baterij, imajo na primer litij-ionske, polimerne in svinčeno-kislinske baterije različno gostoto moči, od 1000 Wh na kg do 2000 Wh na kg. Ocene se lahko zelo razlikujejo tudi glede na proizvodni postopek. Spodnja primerjalna tabela prikazuje gostoto moči Supercapacitor v primerjavi z baterijo.
Toda pri superkondenzatorju se gostota moči giblje od 2500 Wh na kg do 45000 Wh na kg. To je veliko večja od gostote moči enakih baterij.
Zaradi velike gostote moči je superkondenzator koristen vir energije, kjer je potreben večji maksimalni tok.
Celična napetost
Pri različnih vrstah uporabe je pogosto vhodna napetost velik dejavnik. Očitno je, da so na trgu na voljo različne vrste regulatorjev napetosti, vendar je vhodna napetost na regulatorju postala pomemben del aplikacije. Spodnja slika prikazuje izhodno napetost Supercapacitor vs Battery za enako število celic.
Na primer, aplikacija z linearnim regulatorjem napetosti, kot je 7812, zahteva vsaj 15 V vhoda. Enocelična litijeva baterija zagotavlja 3,2 volta pri najmanjšem stanju napolnjenosti in 4,2 volta pri najvišjem polnjenju. Zato je za kompenzacijo s specifikacijo vhodne napetosti potrebno zaporedno povezati vsaj 5 baterij, vendar lahko superkondenzator zagotavlja 2,5 do 5,5 voltov izhoda. Superkondenzatorji imajo visoko celično napetost 5,5 V v primerjavi s 3,7 V običajne litijeve baterije. Tako lahko upoštevajoč druge omejitve superkondenzatorja oblikovalec vezij zaporedoma izbere tri superkondenzatorje po 5,5 voltov. Poleg akumulatorja je to nedvomno pozitivna točka superkondenzatorjev v prostorskih stiskah ali za namene optimizacije stroškov.
Učinkovitost
Kar zadeva učinkovitost, so superkondenzatorji za 95% učinkovitejši od baterij, ki so v pogojih polne obremenitve 60-80% učinkovitejše. Baterije z veliko obremenitvijo odvajajo toploto, kar prispeva k nizki učinkovitosti. Prav tako je treba med polnjenjem in praznjenjem spremljati temperaturo akumulatorja in druge parametre s sistemom za upravljanje baterij (BMS), medtem ko v superkondenzatorjih tak strog nadzorni sistem morda ne bo potreben. Učinkovitost Ultracapacitor vs baterije je prikazan na spodnji sliki. Vendar je treba opozoriti, da Supercapacitor med delovanjem ustvarja tudi nazivno toploto.
Ponovna uporabnost in življenjska doba
Življenjska doba baterije je zelo odvisna od ciklov polnjenja in praznjenja. Pri litijevih in svinčevih baterijah so časi polnjenja in praznjenja omejeni od 300 do 500 ciklov, včasih lahko največ 1000-krat. Življenjska doba brez stanja polnjenja in praznjenja litijevih baterij lahko traja 7 let.
Superkondenzator ima skoraj neskončne cikle polnjenja, ogromnokrat ga je mogoče polniti in prazniti; lahko traja od 1 lakh do 1 milijon časa. Visoka je tudi življenjska doba superkondenzatorja. Superkondenzator lahko traja 10-18 let, medtem ko lahko Lead-Acid baterije traja le okoli 3-5 let.
Faktor napetosti praznjenja
Baterija zagotavlja relativno konstantno izhodno napetost. Toda izhodna napetost superkondenzatorja se med pogoji praznjenja zmanjša. Zato lahko med uporabo baterij kot vira energije uporabimo regulator napetosti ali ojačitev, odvisno od zahtev aplikacije, medtem ko je pri uporabi superkondenzatorja priljubljena izbira pretvornika za povečanje napetosti širokega razpona.
Čas polnjenja
Različne baterije uporabljajo različne algoritme polnjenja. Za polnjenje litij-ionskih baterij se uporabljajo polnilniki s konstantno napetostjo in konstantnim tokom. Polnilnik mora biti posebej konfiguriran tako, da zazna stanje napolnjenosti baterije in temperaturo. V primeru svinčevih baterij se uporablja metoda polnilnega polnjenja.
Na splošno polnjenje baterij ne glede na litij-ionsko ali svinčeno kislino traja ure, da se popolnoma napolnijo. Superkondenzator je večerjo hitro čas polnjenja; potrebuje zelo kratko obdobje, da se popolnoma napolni. Zato pri aplikacijah, pri katerih mora biti čas polnjenja zelo krajši, superkondenzatorji zagotovo pridobijo enako zmogljivost baterij.
Stroški
Stroški so pomemben parameter za vprašanja, povezana z zasnovo izdelka. Superkondenzatorji so draga alternativa, če jih uporabljamo namesto baterij. Stroški včasih postanejo zelo visoki, na primer 10-krat višji v primerjavi z enako zmogljivostjo baterije.
Dejavniki tveganja
Litijeve ali svinčeve baterije zahtevajo posebno pozornost ali pozornost med obratovanjem ali polnjenjem. Zlasti za litij-ionske baterije je treba topologijo polnjenja konfigurirati tako, da se akumulator ne sme prenapolniti ali napolniti z večjo zmogljivostjo toka, kot jo akumulator dejansko lahko sprejme. To poveča nevarnost eksplozije, kadar je baterija preveč napolnjena ali napolnjena z močnim tokom.
Ne samo v stanju polnjenja, tudi med praznjenjem baterij je treba skrbno uporabljati. Stanje globokega praznjenja lahko škoduje življenjski dobi baterije. Zato je treba baterijo odklopiti iz obremenitve, ko je dosežena določena stopnja polnjenja. Kratek stik baterije je tudi nevarna situacija.
Superkondenzatorji so glede na zgornje dejavnike tveganja varnejši od baterij. Vendar pa je polnjenje superkondenzatorja z višjo napetostjo od njegove nazivne moči potencialno škodljivo za superkondenzatorje. Ko pa polnite več kot en kondenzator, lahko to postane zapleteno delo.
Študija primera
Razmislimo o situaciji, ko želimo za 1 uro prižgati 10 vzporednih LED. Za to aplikacijo ugotovimo, ali bi morali kot inženir razmisliti o uporabi superkondenzatorja ali litijeve baterije?
Predpostavimo, da LED privleče 30 mA toka pri 2,5 V. Zato bo vzporedno moč 10 LED
2,5 V x 0,03 x 10 = 0,75 W
Zdaj lahko za 1 uro uporabe, ki znaša 3600 sekund, porabljeno energijo izračunamo kot
3600 x 0,75 = 2700 džuljev.
Če upoštevamo 10F 2.5V Supercapacitor, lahko shrani E = 1 / 2CV 2, kar je
½ x 10 x 2,5 2 = 31,25 Joule
Zato potrebujemo vsaj 85 superkondenzatorjev vzporedno z isto oceno. Očitno bo v tej posebni aplikaciji baterija prva izbira. Če pa se je ta aplikacija spremenila v določeno aplikacijo, pri kateri se enaka količina energije zahteva le 30 sekund, je Supercapacitor lahko izbira, saj jo je mogoče polniti zelo hitro in jo lahko uporabljate zelo dolgo.
Zaključek
Zgornja primerjava je narejena samo med določenimi baterijami (litijeva ali svinčena kislina) s superkondenzatorji. Vendar obstajajo različne baterije z različno kemično sestavo. Po drugi strani pa obstajajo tudi različni superkondenzatorji z različno kemično sestavo, kot je vodni elektrolitski superkondenzator ali z ionskim tekočim superkondenzatorjem, pa tudi hibridni in organski elektrolitski superkondenzatorji. Različne sestave imajo različne delovne značilnosti in specifikacije.
Superkondenzatorji imajo veliko več pozitivnih točk glede uporabe kot baterije. Vendar ima v primerjavi z baterijami tudi negativne plati. Zato je uporaba superkondenzatorjev zelo odvisna od vrste aplikacije.