Supercondensator vs baterie

Există o dezbatere îndelungată că supercondensatoarele vor suprascrie piața bateriilor în viitor. Cu câțiva ani în urmă, când Supercondensatoarele au fost puse la dispoziție, a existat un hype imens despre asta și mulți se așteptau să înlocuiască bateriile în produsele electronice comerciale și chiar în Vehiculele Electrice. Dar, așa ceva nu s-a întâmplat, deoarece atât supercondensatoarele, cât și bateriile sunt complet diferite unul de celălalt și au propriile aplicații.

Fapte amuzante: Aproape toate controlerele de airbag moderne sunt alimentate de supercondensatoare, datorită timpului lor de răspuns rapid la baterii.

În comparație cu bateria, Supercapacitorul sau Ultracapacitorul este o sursă de energie de înaltă densitate sau stocare cu capacitate imensă pentru o perioadă scurtă de timp. În acest articol, vom discuta despre supercapacitor vs baterie (litiu / acid de plumb) cu privire la diferiți parametri și vom încheia cu un studiu de caz pentru ca un inginer să înțeleagă unde s-ar putea selecta un supercapacitor peste o baterie pentru aplicațiile sale. Dacă sunteți un începător al supercondensatorilor, este foarte recomandat să învățați elementele de bază ale supercondensatorilor înainte de a continua mai departe.

Densitatea de putere

Supercondensatoarele au o densitate mare de putere decât aceeași baterie nominală. Deși există diferite tipuri de baterii pe piață, de exemplu, bateriile litiu-ion, polimer, plumb-acid au o densitate de putere diferită, de la 1000 Wh pe kg la 2000 Wh pe kg. Evaluările pot varia, de asemenea, foarte mult, în funcție de procesul de fabricație. Graficul de comparație de mai jos arată densitatea de putere a Supercapacitorului și a bateriei.

Dar, pentru un supercondensator, densitatea puterii variază de la 2500 Wh pe kg la 45000 Wh pe kg. Aceasta este mult mai mare decât densitatea de putere a acelorași baterii nominale.

Datorită densității mari de putere, un supercondensator este o sursă de energie utilă în cazul în care este necesar un curent de vârf mai mare.

Tensiunea celulei

În diferite tipuri de aplicații, adesea tensiunea de intrare este un factor important. Evident, există diferite tipuri de regulatoare de tensiune disponibile pe piață, dar totuși, tensiunea de intrare pe un regulator a devenit o parte importantă a aplicației. Figura de mai jos arată tensiunea de ieșire a Supercapacitorului și a bateriei pentru același număr de celule.

De exemplu, o aplicație cu un regulator de tensiune liniar precum 7812 necesită cel puțin 15V intrare. O baterie litiu cu o singură celulă asigură 3,2 volți la cea mai mică stare de încărcare și 4,2 volți la cea mai înaltă stare de încărcare. Prin urmare, pentru a compensa cu specificația tensiunii de intrare, sunt necesare cel puțin 5 baterii în conexiune în serie, dar supercapacitorul ar putea furniza o ieșire de 2,5 volți la 5,5 volți. Supercondensatoarele au o tensiune ridicată a celulei de 5,5 V, comparativ cu 3,7 V ale unei baterii tipice cu litiu. Astfel, ignorând alte limitări ale unui supercondensator, proiectantul circuitului poate alege trei supercondensatoare de 5,5 volți în serie. Peste baterie, acesta este, fără îndoială, un plus al supercondensatorilor în situații de constrângere a spațiului sau optimizare a costurilor în scopuri.

Eficienţă

În ceea ce privește eficiența, supercondensatoarele sunt cu 95% mai eficiente decât bateriile, care sunt 60-80% eficiente în condiții de încărcare completă. Bateriile cu sarcină mare disipă căldura care contribuie la o eficiență scăzută. De asemenea, temperatura bateriei și alți parametri ar trebui monitorizați în timpul încărcării și descărcării utilizând un sistem de gestionare a bateriei (BMS), în timp ce la supercondensatori s-ar putea să nu fie necesare astfel de sisteme stricte de monitorizare. Eficiența ultracapacitor vs Bateria este prezentată în figura de mai jos. Cu toate acestea, trebuie remarcat faptul că Supercapacitorul generează și căldură nominală în timpul funcționării.

Reutilizarea și durata de viață

Durata de viață a bateriei este extrem de fiabilă în funcție de ciclurile de încărcare și descărcare. În cazul bateriilor cu litiu și plumb-acid, timpul de încărcare și descărcare este limitat de la 300 la 500 de cicluri, uneori poate fi de maximum 1000 de ori. Durata de viață fără situația de încărcare și descărcare a bateriilor cu litiu poate dura 7 ani.

Un supercondensator are aproape cicluri de încărcare infinite, poate fi încărcat și descărcat de multe ori; poate fi de la 1 lakh la 1 milion de timp. Durata de viață a unui supercondensator este, de asemenea, ridicată. Un supercondensator poate dura 10-18 ani, în timp ce o baterie cu plumb-acid poate dura doar 3-5 ani.

Factorul de tensiune de descărcare

O baterie oferă o tensiune de ieșire relativ constantă. Dar o tensiune de ieșire a supercapacitorului scade în timpul descărcării. Prin urmare, în timp ce utilizați bateriile ca sursă de alimentare, se poate folosi regulatorul Buck sau boost în funcție de cerințele aplicației, dar în timp ce utilizați un supercondensator, este o alegere populară să utilizați un convertor amplificare cu gamă largă pentru compensarea pierderii de tensiune de intrare.

Timp de incarcare

Diferite baterii folosesc algoritmi de încărcare diferiți. Pentru a încărca bateriile litiu-ion se folosesc încărcătoare de tensiune constantă și curent constant. Încărcătorul trebuie să fie special configurat pentru a detecta starea de încărcare a bateriei, precum și temperatura. Pentru cazul bateriilor cu plumb-acid se folosește metoda de încărcare cu prelevare.

În general, pentru a încărca bateriile, indiferent de litiu-ion sau plumb-acid, este nevoie de ore pentru a se încărca complet. Supercapacitor a ora cinei de încărcare rapidă; are nevoie de o perioadă foarte scurtă de timp pentru a obține o încărcare completă. Prin urmare, pentru aplicațiile în care timpul de încărcare este necesar să fie foarte mic, supercondensatoarele câștigă cu siguranță aceeași capacitate a bateriilor.

Cost

Costul este un parametru important pentru problemele legate de proiectarea produselor. Supercondensatoarele sunt o alternativă costisitoare atunci când sunt folosite în locul bateriilor. Costul devine uneori foarte mare, de 10 ori mai mare în comparație cu aceeași capacitate a bateriei.

Factori de risc

Bateriile cu litiu sau plumb-acid necesită o îngrijire sau o atenție specială în timpul condițiilor de funcționare sau de încărcare. În special pentru bateriile litiu-ion, topologia de încărcare trebuie configurată în așa fel încât bateria să nu fie supraîncărcată sau încărcată cu o capacitate de curent mai mare decât poate accepta bateria. Acest lucru crește riscul de explozie ori de câte ori bateria este supraîncărcată sau încărcată cu un curent mare.

Nu numai în condiții de încărcare, ci și bateriile trebuie să fie acționate cu atenție în timpul descărcării. Condițiile de descărcare profundă pot afecta viața bateriei. Prin urmare, bateria trebuie să fie deconectată de la sarcină după ce a ajuns la un anumit nivel de încărcare. De asemenea, scurtcircuitul unei baterii este o situație periculoasă.

Supercondensatorii sunt mai siguri decât bateriile în ceea ce privește factorii de risc de mai sus. Cu toate acestea, încărcarea unui supercondensator folosind o tensiune mai mare decât valoarea nominală a acestuia este potențial dăunătoare supercondensatorilor. Dar, atunci când încărcați mai mult decât un singur condensator, acesta poate deveni un loc de muncă complex.

Studiu de caz

Să luăm în considerare o situație în care vrem să aprindem 10 LED-uri paralele timp de 1 oră. Pentru această aplicație, să aflăm, ca inginer ar trebui să ne gândim să folosim un supercondensator sau o baterie cu litiu?

Să presupunem că LED-urile trag 30mA de curent la 2,5V. Prin urmare, puterea a 10 LED-uri în paralel va fi

2,5V x 0,03 x 10 = 0,75 wați

Acum, pentru 1 oră de utilizare, care este de 3600 de secunde, energia necesară poate fi calculată ca

3600 x 0,75 = 2700 Jouli.

Dacă luăm în considerare un supercondensator 10F 2,5V, acesta poate stoca E = 1 / 2CV ^2, care este

½ x 10 x 2,5 ² = 31,25 Joule

Prin urmare, este nevoie de cel puțin 85 de supercondensatoare în paralel cu același rating. Evident, în această aplicație specifică, bateria va fi prima alegere. Dar dacă această aplicație s-a transformat într-o aplicație specifică în care aceeași cantitate de energie este necesară doar timp de 30 de secunde, Supercapacitorul poate fi o alegere, deoarece poate fi încărcat foarte repede și poate fi utilizat pentru o perioadă foarte lungă de timp.

Concluzie

Comparația de mai sus se face numai între baterii specifice (litiu sau acid de plumb) cu supercondensatoare. Cu toate acestea, există diferite baterii cu diferite compoziții chimice. Pe de altă parte, există și supercondensatori diferiți cu diferite compoziții chimice, cum ar fi un supercondensator apos electrolitic sau cu un supercondensator lichid ionic, precum și supercondensatori electrolitici hibrizi și organici, de asemenea, pe piață. Compozițiile diferite au caracteristici și specificații de lucru diferite.

Supercondensatoarele au puncte mult mai pozitive în ceea ce privește aplicația decât bateriile. Dar are și părți negative în comparație cu bateriile. Prin urmare, utilizările supercondensatorilor sunt extrem de fiabile de tipul de aplicație.