Supercapacitor έναντι μπαταρίας

Υπάρχει μια μακρά συζήτηση ότι το Supercapacitors θα παρακάμψει την αγορά μπαταριών στο μέλλον. Λίγα χρόνια πριν, όταν οι Supercapacitors διατέθηκαν, υπήρχε μια τεράστια διαφημιστική εκστρατεία για αυτό και πολλοί περίμεναν να αντικαταστήσει τις μπαταρίες σε εμπορικά ηλεκτρονικά προϊόντα και ακόμη και σε Ηλεκτρικά Οχήματα. Όμως, κάτι τέτοιο δεν συνέβη στην πραγματικότητα, γιατί τόσο οι Supercapacitors όσο και οι Μπαταρίες είναι εντελώς διαφορετικές μεταξύ τους και έχουν τις δικές τους εφαρμογές.

Γεγονός διασκέδασης: Σχεδόν όλοι οι σύγχρονοι ελεγκτές αερόσακων τροφοδοτούνται από υπερκατασκευαστές, λόγω του γρήγορου χρόνου απόκρισης έναντι των μπαταριών.

Σε σύγκριση με την μπαταρία, το Supercapacitor ή το Ultracapacitor είναι πηγή ενέργειας υψηλής πυκνότητας ή αποθήκευση με τεράστια χωρητικότητα για μικρό χρονικό διάστημα. Σε αυτό το άρθρο, θα συζητήσουμε το Supercapacitor vs Battery (Lithium / Lead Acid) για διάφορες παραμέτρους και θα ολοκληρώσουμε με μια μελέτη περίπτωσης για έναν μηχανικό για να καταλάβει πού θα μπορούσε να επιλέξει ένα supercapacitor πάνω από μια μπαταρία για τις εφαρμογές του. Εάν είστε αρχάριος στο Supercapacitors τότε συνιστάται να μάθετε τα βασικά του Supercapacitors προτού προχωρήσετε περαιτέρω.

Πυκνότητα ισχύος

Οι υπερσυμπιεστές έχουν υψηλή πυκνότητα ισχύος από την ίδια ονομαστική μπαταρία. Αν και υπάρχουν διάφορα είδη μπαταριών στην αγορά, για παράδειγμα, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου, πολυμερούς και μολύβδου-οξέος έχουν διαφορετική πυκνότητα ισχύος, από 1000 Wh ανά kg έως 2000 Wh ανά kg. Οι βαθμολογίες μπορεί επίσης να ποικίλλουν πολύ ανάλογα με τη διαδικασία κατασκευής. Το παρακάτω διάγραμμα σύγκρισης δείχνει την πυκνότητα ισχύος του Supercapacitor έναντι της μπαταρίας.

Όμως, για έναν υπερσυμπιεστή, η πυκνότητα ισχύος κυμαίνεται από 2500 Wh ανά kg έως 45000 Wh ανά kg. Αυτό είναι πολύ μεγαλύτερο από την πυκνότητα ισχύος των ίδιων ονομαστικών μπαταριών.

Λόγω της υψηλής πυκνότητας ισχύος, ένας υπερατμιστήρας είναι μια χρήσιμη πηγή ισχύος όπου απαιτείται μεγαλύτερο ρεύμα αιχμής.

Τάση κυψέλης

Σε διαφορετικά είδη εφαρμογών, συχνά η τάση εισόδου είναι μεγάλος παράγοντας. Προφανώς, υπάρχουν διάφορα είδη ρυθμιστών τάσης στην αγορά, ωστόσο, η τάση εισόδου σε έναν ρυθμιστή έγινε ένα σημαντικό μέρος της εφαρμογής. Το παρακάτω σχήμα δείχνει την τάση εξόδου Supercapacitor vs Battery για τον ίδιο αριθμό κελιών.

Για παράδειγμα, μια εφαρμογή με γραμμικό ρυθμιστή τάσης όπως το 7812 απαιτεί τουλάχιστον 15V είσοδο. Μια μπαταρία λιθίου μονού κυττάρου παρέχει 3,2 βολτ στην κατάσταση χαμηλότερης φόρτισης και 4,2 βολτ στην υψηλότερη κατάσταση φόρτισης. Ως εκ τούτου, για να αντισταθμιστεί με την προδιαγραφή τάσης εισόδου, απαιτούνται τουλάχιστον 5 μπαταρίες σε σειριακή σύνδεση, αλλά ο υπερσυμπιεστής θα μπορούσε να παρέχει έξοδο 2,5 volt έως 5,5 volt Οι υπερσυμπιεστές έχουν υψηλή τάση κυψέλης 5.5V σε σύγκριση με 3.7V τυπικής μπαταρίας λιθίου Επομένως, αγνοώντας άλλους περιορισμούς ενός υπερσυμπιεστή, ο σχεδιαστής κυκλωμάτων μπορεί να επιλέξει τρεις υπερκατασκευαστές 5,5 volt σε σειρά. Πάνω από την μπαταρία, αυτό είναι αναμφίβολα πλεονέκτημα των υπερκατασκευαστών σε καταστάσεις περιορισμού χώρου ή βελτιστοποίησης κόστους για σκοπούς.

Αποδοτικότητα

Όσον αφορά την αποδοτικότητα, οι υπερκαταναλωτές είναι 95% πιο αποδοτικοί από τις μπαταρίες που είναι 60-80% αποδοτικές υπό συνθήκες πλήρους φόρτωσης. Οι μπαταρίες σε υψηλό φορτίο διαλύουν θερμότητα που συμβάλλει στη χαμηλή απόδοση. Επίσης, η θερμοκρασία της μπαταρίας και οι άλλες παράμετροι θα πρέπει να παρακολουθούνται κατά τη φόρτιση και την αποφόρτιση χρησιμοποιώντας ένα Σύστημα Διαχείρισης Μπαταρίας (BMS), ενώ σε υπερσυμπιεστές τέτοια αυστηρά συστήματα παρακολούθησης ενδέχεται να μην χρειάζονται. Η απόδοση του Ultracapacitor vs Battery φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Ωστόσο, πρέπει να σημειωθεί ότι το Supercapacitor παράγει επίσης ονομαστική θερμότητα κατά τη λειτουργία.

Επαναχρησιμοποίηση και διάρκεια ζωής

Η διάρκεια ζωής της μπαταρίας εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τους κύκλους φόρτισης και αποφόρτισης. Στην περίπτωση μπαταριών λιθίου και μολύβδου-οξέος, οι χρόνοι φόρτισης και εκφόρτισης περιορίζονται από 300 έως 500 κύκλους, μερικές φορές μπορεί να είναι το πολύ 1000 φορές. Η διάρκεια ζωής χωρίς την κατάσταση φόρτισης και αποφόρτισης των μπαταριών λιθίου μπορεί να διαρκέσει για 7 χρόνια.

Ένας υπερσυμπιεστής έχει σχεδόν άπειρους κύκλους φόρτισης, μπορεί να φορτιστεί και να αποφορτιστεί για πολλές φορές. μπορεί να είναι από 1 لاکھ έως 1 εκατομμύριο χρόνου. Η διάρκεια ζωής ενός υπερπυκνωτή είναι επίσης υψηλή. Ένας υπερσυμπιεστής μπορεί να διαρκέσει για 10-18 χρόνια, ενώ μια μπαταρία μολύβδου-οξέος μπορεί να διαρκέσει περίπου 3-5 χρόνια μόνο.

Συντελεστής τάσης εκφόρτισης

Μια μπαταρία παρέχει μια σχετικά σταθερή τάση εξόδου. Όμως, η τάση εξόδου υπερκαταναλωτή μειώνεται κατά τις συνθήκες εκφόρτισης. Επομένως, ενώ χρησιμοποιείτε μπαταρίες ως πηγή ισχύος, μπορεί κανείς να χρησιμοποιήσει ρυθμιστή buck ή boost ανάλογα με τις απαιτήσεις της εφαρμογής, αλλά ενώ χρησιμοποιεί supercapacitor, είναι μια δημοφιλής επιλογή να χρησιμοποιήσετε έναν μετατροπέα ενίσχυσης ευρείας εμβέλειας για την αντιστάθμιση της απώλειας τάσης εισόδου.

Χρόνος φόρτισης

Διαφορετικές μπαταρίες χρησιμοποιούν διαφορετικούς αλγόριθμους φόρτισης. Για τη φόρτιση μπαταριών ιόντων λιθίου χρησιμοποιούνται φορτιστές σταθερής τάσης και σταθερού ρεύματος. Ο φορτιστής πρέπει να είναι ειδικά διαμορφωμένος ώστε να ανιχνεύει την κατάσταση φόρτισης της μπαταρίας καθώς και τη θερμοκρασία. Για την περίπτωση μπαταριών μολύβδου-οξέος χρησιμοποιείται μέθοδος φόρτισης.

Συνολικά, για να φορτίσετε τις μπαταρίες ανεξάρτητα από το ιόν λιθίου ή το μόλυβδο, χρειάζονται ώρες για να φορτιστεί πλήρως. Το supercapacitor έχει γρήγορο χρόνο φόρτισης του δείπνου. χρειάζεται πολύ σύντομο χρονικό διάστημα για να πάρει μια πλήρη χρέωση. Ως εκ τούτου, για τις εφαρμογές όπου ο χρόνος φόρτισης απαιτείται να είναι πολύ μικρότερος, οι υπερπυκνωτές σίγουρα κερδίζουν την ίδια χωρητικότητα μπαταριών.

Κόστος

Το κόστος είναι μια σημαντική παράμετρος για θέματα που σχετίζονται με το σχεδιασμό προϊόντων. Οι υπερσυμπιεστές είναι μια δαπανηρή εναλλακτική λύση όταν χρησιμοποιούνται αντί για μπαταρίες. Το κόστος μερικές φορές γίνεται πολύ υψηλό, όπως 10 φορές υψηλότερο σε σύγκριση με την ίδια χωρητικότητα της μπαταρίας.

Παράγοντες κινδύνου

Οι μπαταρίες λιθίου ή μολύβδου-οξέος απαιτούν ιδιαίτερη προσοχή ή προσοχή κατά τις συνθήκες λειτουργίας ή φόρτισης. Ειδικά για τις μπαταρίες ιόντων λιθίου, η τοπολογία φόρτισης πρέπει να διαμορφωθεί με τέτοιο τρόπο ώστε η μπαταρία να μην υπερφορτίζεται ή να φορτίζεται με υψηλότερη χωρητικότητα ρεύματος από ό, τι μπορεί πραγματικά να αποδεχθεί η μπαταρία. Αυτό αυξάνει τον κίνδυνο έκρηξης κάθε φορά που η μπαταρία υπερφορτίζεται ή φορτίζεται με υψηλό ρεύμα.

Όχι μόνο σε κατάσταση φόρτισης, αλλά και οι μπαταρίες πρέπει να λειτουργούν προσεκτικά κατά τη διάρκεια της εκφόρτισης. Η κατάσταση βαθιάς εκφόρτισης ενδέχεται να προκαλέσει ζημιά στη διάρκεια ζωής της μπαταρίας. Επομένως, η μπαταρία πρέπει να αποσυνδεθεί από το φορτίο αφού φτάσει σε ένα ορισμένο επίπεδο κατάστασης φόρτισης. Επίσης, το βραχυκύκλωμα μιας μπαταρίας είναι μια επικίνδυνη κατάσταση.

Οι υπερσυμπιεστές είναι ασφαλέστεροι από τις μπαταρίες όσον αφορά τους παραπάνω παράγοντες κινδύνου. Ωστόσο, η φόρτιση ενός υπερσυμπιεστή χρησιμοποιώντας υψηλότερη τάση από την βαθμολογία του είναι δυνητικά επιβλαβής για τους υπεραισθητήρες. Όμως, όταν φορτίζετε περισσότερο από έναν πυκνωτή, μπορεί να γίνει πολύπλοκη δουλειά.

Μελέτη περίπτωσης

Ας εξετάσουμε μια κατάσταση όπου θέλουμε να ανάψουμε 10 παράλληλες λυχνίες LED για 1 ώρα. Για αυτήν την εφαρμογή, ας μάθουμε, ως μηχανικός θα πρέπει να εξετάσουμε το ενδεχόμενο να χρησιμοποιήσουμε μια υπερκατασκευή ή μπαταρία λιθίου;

Ας υποθέσουμε ότι τα LED σχεδιάζουν 30mA ρεύματος στα 2.5V. Επομένως, η ισχύς των 10 LED παράλληλα θα είναι

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

Τώρα, για 1 ώρα χρήσης που είναι 3600 δευτερόλεπτα, η απαιτούμενη ενέργεια μπορεί να υπολογιστεί ως

3600 x 0,75 = 2700 Joules.

Εάν θεωρήσουμε ένα Supercapacitor 10F 2.5V, μπορεί να αποθηκεύσει E = 1 / 2CV ² που είναι

½ χ 10 χ 2,5 ² = 31,25 Joules

Επομένως, χρειάζεται τουλάχιστον 85 Supercapacitors παράλληλα με την ίδια βαθμολογία. Προφανώς σε αυτή τη συγκεκριμένη εφαρμογή η μπαταρία θα είναι η πρώτη επιλογή. Αλλά εάν αυτή η εφαρμογή αλλάξει σε μια συγκεκριμένη εφαρμογή όπου απαιτείται η ίδια ποσότητα ισχύος μόνο για 30 δευτερόλεπτα, το Supercapacitor μπορεί να είναι μια επιλογή καθώς μπορεί να φορτιστεί πολύ γρήγορα και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για πολύ μεγάλο χρονικό διάστημα.

συμπέρασμα

Η παραπάνω σύγκριση πραγματοποιείται μόνο μεταξύ συγκεκριμένων μπαταριών (λιθίου ή μολύβδου οξέος) με υπεραισθητήρες. Ωστόσο, υπάρχουν διαφορετικές μπαταρίες με διαφορετικές χημικές συνθέσεις. Από την άλλη πλευρά, υπάρχουν επίσης διαφορετικοί υπεραπυκνωτές με διαφορετικές χημικές συνθέσεις, όπως ένας υδατικός ηλεκτρολυτικός υπερκαυστήρας ή με έναν ιοντικό υγρό υπερκατασκευαστή, καθώς και υβριδικούς και οργανικούς ηλεκτρολυτικούς υπερσυμπιεστές επίσης στην αγορά. Διαφορετικές συνθέσεις έχουν διαφορετικά χαρακτηριστικά και προδιαγραφές εργασίας.

Οι υπερσυμπιεστές έχουν πολύ πιο θετικά σημεία όσον αφορά την εφαρμογή από τις μπαταρίες. Όμως, έχει επίσης αρνητικές πλευρές σε σύγκριση με τις μπαταρίες. Ως εκ τούτου, οι χρήσεις των υπερσυμπιεστών εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από τον τύπο της εφαρμογής.