Суперконденсатор проти акумулятора

Існує тривала суперечка про те, що суперконденсатори в майбутньому скасують ринок акумуляторів. Кілька років тому, коли з'явилися суперконденсатори, з цього приводу був великий галас, і багато хто очікував, що він замінить батареї в комерційних електронних продуктах і навіть в електромобілях. Але насправді нічого подібного не сталося, оскільки і суперконденсатори, і акумулятори абсолютно відрізняються один від одного, і у них є свої програми.

Цікавий факт: Майже всі сучасні контролери подушок безпеки живляться від суперконденсаторів через їх швидкий час відгуку на батареї.

Порівняно з акумулятором, суперконденсатор або ультраконденсатор є джерелом енергії високої щільності або накопичувачем з величезною ємністю на короткий проміжок часу. У цій статті ми обговоримо Суперконденсатор проти акумулятора (літій / свинцева кислота) щодо різних параметрів і закінчимо тематичним дослідженням для інженера, щоб зрозуміти, де можна вибрати суперконденсатор замість акумулятора для його застосування. Якщо ви новачок у суперконденсаторах, настійно рекомендується вивчити основи суперконденсаторів, перш ніж продовжувати далі.

Щільність потужності

Суперконденсатори мають високу щільність потужності, ніж той самий номінальний акумулятор. Хоча на ринку існують різні типи акумуляторів, наприклад, літій-іонні, полімерні, свинцево-кислотні акумулятори мають різну щільність потужності - від 1000 Вт на кг до 2000 Втч на кг. Рейтинг також може сильно відрізнятися залежно від виробничого процесу. Порівняльна таблиця нижче показує щільність потужності суперконденсатора проти акумулятора.

Але для суперконденсатора щільність потужності варіюється від 2500 Вт / кг до 45000 Вт / кг. Це набагато більше щільності потужності тих самих номінальних батарей.

Через високу щільність потужності суперконденсатор є корисним джерелом живлення, де потрібен більший піковий струм.

Напруга комірки

У різних видах застосування часто вхідна напруга є великим фактором. Очевидно, що на ринку доступні різні типи регуляторів напруги, але все ж вхідна напруга на регуляторі стала важливою частиною програми. На малюнку нижче показано вихідну напругу суперконденсатора проти акумулятора для тієї ж кількості елементів.

Наприклад, програма з лінійним регулятором напруги, як 7812, вимагає щонайменше 15 В. Одноклітинна літієва батарея забезпечує 3,2 вольта при найнижчому заряді та 4,2 вольта при найвищому заряді. Отже, для компенсації за специфікацією вхідної напруги потрібно щонайменше 5 акумуляторів послідовного підключення, але суперконденсатор може забезпечувати від 2,5 до 5,5 вольт виходу. Суперконденсатори мають високу напругу комірки 5,5 В порівняно з 3,7 В звичайної літієвої батареї. Таким чином, ігноруючи інші обмеження суперконденсатора, розробник схеми може вибрати три суперконденсатори по 5,5 вольт послідовно. Над акумулятором це, безсумнівно, плюс суперконденсаторів у ситуаціях обмеженого простору або оптимізації витрат для цілей.

Ефективність

Що стосується ефективності, суперконденсатори на 95% ефективніші, ніж акумулятори, які на 60-80% ефективні в умовах повного навантаження. Батареї з великим навантаженням розсіюють тепло, що сприяє низькій ефективності. Крім того, під час зарядки та розрядки слід контролювати температуру батареї та інші параметри за допомогою системи управління батареями (BMS), тоді як у суперконденсаторах такі жорсткі системи контролю можуть не знадобитися. Ефективність суперконденсатор проти батареї показана на малюнку нижче. Однак слід зазначити, що суперконденсатор також генерує номінальне тепло під час роботи.

Багаторазове використання та тривалість життя

Тривалість роботи акумулятора дуже залежить від циклів зарядки та розрядки. У випадку з літієвими та свинцево-кислотними акумуляторами час зарядки та розрядки обмежений від 300 до 500 циклів, іноді це може бути максимум 1000 разів. Тривалість життя без зарядки та розрядки літієвих батарей може тривати протягом 7 років.

Суперконденсатор майже має нескінченні цикли заряду, його можна заряджати і розряджати величезну кількість разів; це може бути від 1 лак до 1 мільйона часу. Тривалість життя суперконденсатора також велика. Суперконденсатор може тривати в протягом 10-18 років, в той час як батарея свинцево-кислотна може тривати всього близько 3-5 років.

Коефіцієнт напруги розряду

Акумулятор забезпечує відносно постійну вихідну напругу. Але вихідна напруга суперконденсатора зменшується під час розряду. Тому, використовуючи акумулятори як джерело живлення, можна використовувати регулятор зниження або підсилення залежно від вимог програми, але при використанні суперконденсатора популярним вибором є використання перетворювача широкого діапазону для компенсації втрат вхідної напруги.

Час зарядки

Різні акумулятори використовують різні алгоритми зарядки. Для зарядки літій-іонних акумуляторів використовуються зарядні пристрої з постійною напругою та постійним струмом. Зарядний пристрій повинен бути спеціально налаштований для виявлення стану заряду акумулятора, а також температури. Для свинцево-кислотних акумуляторів використовується метод заряджання струменем.

Загалом, щоб зарядити акумулятори незалежно від літій-іонних або свинцево-кислотних, потрібно повністю зарядити години. Суперконденсатор була вечеря швидко час зарядки; для повного заряджання потрібен дуже короткий проміжок часу. Отже, для додатків, де час зарядки повинен бути дуже меншим, суперконденсатори однозначно перемагають однакову ємність батарей.

Вартість

Вартість є важливим параметром для питань, пов'язаних з дизайном товару. Суперконденсатори є дорогою альтернативою, якщо їх використовувати замість батарей. Вартість іноді стає дуже високою, наприклад, у 10 разів вище, якщо порівнювати з такою ж ємністю акумулятора.

Фактори ризику

Літієві або свинцево-кислотні акумулятори вимагають особливої ​​обережності та уваги під час роботи або зарядки. Особливо для літій-іонних акумуляторів топологію зарядки потрібно налаштувати таким чином, щоб батарея не повинна була перезаряджатись або заряджатися з більшою ємністю струму, ніж акумулятор насправді може прийняти. Це збільшує ризик вибуху, коли акумулятор перезаряджається або заряджається сильним струмом.

Не тільки в стані зарядки, але й акумуляторами також потрібно обережно користуватися під час розрядки. Глибокий розряд може потенційно пошкодити термін служби акумулятора. Отже, акумулятор потрібно від’єднати від навантаження після досягнення ним певного рівня заряду. Крім того, коротке замикання акумулятора є небезпечною ситуацією.

Суперконденсатори безпечніші за батареї з точки зору вищезазначених факторів ризику. Однак зарядка суперконденсатора, використовуючи напругу вищу, ніж його номінал, потенційно шкідлива для суперконденсаторів. Але, заряджаючи більше одного конденсатора, це може стати складною роботою.

Приклад

Давайте розглянемо ситуацію, коли ми хочемо запалити 10 паралельних світлодіодів протягом 1 години. Для цього додатка давайте з’ясуємо, як інженеру слід розглянути можливість використання суперконденсатора або літієвої батареї?

Припустимо, що світлодіоди витрачають струм 30 мА при напрузі 2,5 В. Тому потужність 10 світлодіодів паралельно буде

2,5 В x 0,03 x 10 = 0,75 Вт

Тепер, за 1 годину використання, яка становить 3600 секунд, необхідну енергію можна розрахувати як

3600 х 0,75 = 2700 джоулів.

Якщо ми розглядаємо суперконденсатор 10F 2,5 В, він може зберігати E = 1 / 2CV ^2, що є

½ х 10 х 2,5 ² = 31,25 джоулів

Тому паралельно з однаковим рейтингом потрібно принаймні 85 суперконденсаторів. Очевидно, що в цьому конкретному додатку батарея буде першим вибором. Але якщо цю програму перетворити на конкретну програму, де однакова кількість енергії потрібна лише протягом 30 секунд, Суперконденсатор може бути вибором, оскільки його можна дуже швидко зарядити і використовувати протягом дуже тривалого періоду часу.

Висновок

Наведене вище порівняння проводиться лише між окремими акумуляторами (літієвими або свинцевими кислотами) із суперконденсаторами. Однак існують різні батареї з різним хімічним складом. З іншого боку, на ринку також є різні суперконденсатори з різним хімічним складом, такі як водний електролітичний суперконденсатор або з іонним рідким суперконденсатором, а також гібридні та органічні електролітичні суперконденсатори. Різні склади мають різні робочі характеристики та технічні характеристики.

Суперконденсатори мають набагато більше позитивних моментів щодо застосування, ніж батареї. Але, це також має негативні сторони порівняно з батареями. Таким чином, використання суперконденсаторів є дуже надійним у залежності від типу програми.