Supercapacitor vs baterija

Duga je rasprava da će Supercapacitors u budućnosti nadvladati tržište baterija. Nekoliko godina unatrag kada su superkondenzatori postali dostupni, oko toga se stvorila velika pompa i mnogi su očekivali da će zamijeniti baterije u komercijalnim elektroničkim proizvodima, pa čak i u električnim vozilima. Ali, ništa se slično zapravo nije dogodilo, jer su i superkondenzatori i baterije potpuno različiti i imaju svoje programe.

Zabavna činjenica: Gotovo sve moderne kontrolere zračnih jastuka napajaju superkondenzatori, zbog njihovog brzog vremena odziva na baterije.

U usporedbi s baterijom, Supercapacitor ili Ultracapacitor su izvor energije ili skladište velike gustoće s ogromnim kapacitetom za kratko vrijeme. U ovom ćemo članku razmotriti Supercapacitor vs Battery (litij / olovna kiselina) o različitim parametrima i završiti studijom slučaja za inženjera da shvati gdje se može izabrati supercapacitor preko baterije za njegove primjene. Ako ste novopečeni korisnik Supercapacitors, toplo je preporučljivo naučiti osnove Supercapacitors prije nego što nastavite dalje.

Gustoća snage

Superkondenzatori imaju veliku gustoću snage od iste nazivne baterije. Iako na tržištu postoje različite vrste baterija, na primjer, litij-ionske, polimerne, olovno-kisele baterije imaju različitu gustoću snage, od 1000 Wh po kg do 2000 Wh po kg. Ocjene se također mogu znatno razlikovati, ovisno o proizvodnom procesu. Tabela za usporedbu u nastavku prikazuje gustoću snage Supercapacitor vs Battery.

Ali, za superkondenzator, gustoća snage varira od 2500 Wh po kg do 45000 Wh po kg. To je puno veće od gustoće snage istih ocijenjenih baterija.

Zbog velike gustoće snage, superkondenzator je koristan izvor energije gdje je potrebna veća vršna struja.

Napon stanice

U različitim vrstama aplikacija često je ulazni napon velik faktor. Očito je da su na tržištu dostupne različite vrste regulatora napona, ali ipak, ulazni napon na regulatoru postao je važan dio aplikacije. Donja slika prikazuje izlazni napon Supercapacitor vs Battery za isti broj ćelija.

Na primjer, aplikacija s linearnim regulatorom napona poput 7812 zahtijeva najmanje 15 V ulaza. Jednoćelijska litijeva baterija daje 3,2 volta pri najnižem stanju punjenja i 4,2 volta pri najvišem punjenju. Stoga je za kompenzaciju specifikacijom ulaznog napona potrebno najmanje 5 baterija u serijskom povezivanju, ali superkondenzator može pružiti 2,5 do 5,5 voltnog izlaza. Superkondenzatori imaju visok napon ćelije od 5,5 V u usporedbi s 3,7 V tipične litijeve baterije. Dakle, zanemarujući druga ograničenja superkondenzatora, dizajner sklopa može odabrati tri serijska superkondenzatora od 5,5 volta. Preko baterije, ovo je nesumnjivo pozitivna točka superkondenzatora u situacijama ograničenog prostora ili optimizaciji troškova u svrhe.

Učinkovitost

Što se tiče učinkovitosti, superkondenzatori su 95% učinkovitiji od baterija koje su 60-80% učinkovite u uvjetima punog opterećenja. Baterije pod velikim opterećenjem odvode toplinu što doprinosi niskoj učinkovitosti. Također, temperaturu baterije i ostale parametre treba pratiti tijekom punjenja i pražnjenja pomoću Sustava za upravljanje baterijama (BMS), dok u superkondenzatorima takvi strogi sustavi nadzora možda neće biti potrebni. Učinkovitost Ultracapacitor vs baterija prikazana je u nastavku slici. Međutim, treba imati na umu da superkondenzator također generira nominalnu toplinu tijekom rada.

Ponovna upotrebljivost i životni vijek

Životni vijek baterije uvelike ovisi o ciklusima punjenja i pražnjenja. U slučaju litijevih i olovnih baterija, vrijeme punjenja i pražnjenja ograničeno je s 300 na 500 ciklusa, ponekad može biti i najviše 1000 puta. Životni vijek bez stanja punjenja i pražnjenja litijevih baterija može trajati 7 godina.

Superkondenzator gotovo ima beskonačne cikluse punjenja, može se napuniti i isprazniti ogroman broj puta; to može biti od 1 lakh do 1 milion vremena. Životni vijek superkondenzatora je također velik. Supercapacitor može trajati 10-18 godina, a olovni akumulator može trajati samo oko 3-5 godina.

Faktor napona pražnjenja

Baterija pruža relativno konstantan izlazni napon. Ali izlazni napon superkondenzatora opada tijekom uvjeta pražnjenja. Stoga, dok se baterije koriste kao izvor napajanja, može se koristiti regulator napona ili pojačivača, ovisno o zahtjevima aplikacije, no dok se koristi superkondenzator, popularan je izbor pretvarača pojačanja širokog raspona za kompenzaciju gubitka ulaznog napona.

Vrijeme punjenja

Različite baterije koriste različite algoritme punjenja. Za punjenje litij-ionskih baterija koriste se punjači za stalni napon i konstantnu struju. Punjač mora biti posebno konfiguriran za otkrivanje stanja napunjenosti baterije, kao i temperature. U slučaju olovnih baterija koristi se metoda punjenja kapljicama.

Sve u svemu, za punjenje baterija, bez obzira na litij-ionsku ili olovnu kiselinu, trebaju sati za potpuno napunjenje. Supercapacitor večera je brzo vrijeme punjenja; potreban mu je vrlo kratak vremenski period za potpuno punjenje. Stoga, za aplikacije u kojima je potrebno vrijeme punjenja biti vrlo kraće, superkondenzatori definitivno osvajaju isti kapacitet baterija.

Trošak

Trošak je važan parametar za pitanja vezana uz dizajn proizvoda. Superkondenzatori su skupa alternativa kada se koriste umjesto baterija. Trošak ponekad postane vrlo visok, primjerice 10 puta veći u usporedbi s istim kapacitetom baterije.

Faktori rizika

Litijeve ili olovno-kiselinske baterije zahtijevaju posebnu pažnju ili pažnju tijekom rada ili punjenja. Pogotovo za litij-ionske baterije, topologija punjenja mora biti konfigurirana na takav način da baterija ne smije biti prenapunjena ili napunjena većim kapacitetom struje nego što baterija zapravo može prihvatiti. To povećava rizik od eksplozije kad god je baterija prenapunjena ili napunjena jakom strujom.

Ne samo u stanju punjenja, već i baterijama treba pažljivo rukovati tijekom pražnjenja. Stanje dubokog pražnjenja može potencijalno oštetiti vijek trajanja baterije. Stoga bateriju treba odvojiti od tereta nakon što se dostigne do određene razine punjenja. Također, opasan je i kratki spoj baterije.

Superkondenzatori su sigurniji od baterija u smislu gore navedenih čimbenika rizika. Međutim, punjenje superkondenzatora upotrebom većeg napona od njegove nazivne vrijednosti potencijalno je štetno za superkondenzatore. Ali, kada punite više od jednog kondenzatora, to može postati složen posao.

Studija slučaja

Razmotrimo situaciju u kojoj želimo upaliti 10 paralelnih LED dioda na 1 sat. Za ovu aplikaciju, hajde da saznamo, bismo li kao inženjer trebali razmotriti upotrebu superkondenzatora ili litijeve baterije?

Pretpostavimo da LED diode crpe 30 mA struje na 2,5 V. Stoga će paralelno biti snaga od 10 LED dioda

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

Sada se za 1 sat upotrebe, što je 3600 sekundi, potrebna energija može izračunati kao

3600 x 0,75 = 2700 džula.

Ako uzmemo u obzir superkondenzator od 10F od 2,5 V, može pohraniti E = 1 / 2CV ² što jest

½ x 10 x 2.5 ² = 31.25 džula

Stoga treba paralelno s istom ocjenom imati najmanje 85 superkondenzatora. Očito je da će u ovoj specifičnoj aplikaciji baterija biti prvi izbor. Ali ako se ovaj program promijenio u određeni program u kojem se ista količina energije zahtijeva samo 30 sekundi, Supercapacitor može biti izbor, jer se može vrlo brzo napuniti i koristiti vrlo dugo.

Zaključak

Gornja usporedba vrši se samo između određenih baterija (litij ili olovna kiselina) sa superkondenzatorima. Međutim, postoje različite baterije s različitim kemijskim sastavom. S druge strane, na tržištu također postoje različiti superkondenzatori s različitim kemijskim sastavom, poput vodenog elektrolitskog superkondenzatora ili s ionskim tekućim superkondenzatorom, kao i hibridni i organski elektrolitski superkondenzatori. Različiti sastavi imaju različite radne karakteristike i specifikacije.

Superkondenzatori imaju puno pozitivnije točke u pogledu primjene od baterija. Ali, ima i negativnih strana u usporedbi s baterijama. Stoga je uporaba superkondenzatora vrlo pouzdana o vrsti aplikacije.