- Effektdensitet
- Cellespænding
- Effektivitet
- Genanvendelighed og levetid
- Afladningsspændingsfaktor
- Lade tid
- Koste
- Risikofaktorer
- Casestudie
- Konklusion
Der er lang debat om, at superkapacitorer vil overstyre batterimarkedet i fremtiden. For et par år tilbage, da superkondensatorer blev stillet til rådighed, var der en enorm hype om det, og mange forventede, at det ville erstatte batterierne i kommercielle elektroniske produkter og endda i elektriske køretøjer. Men der skete faktisk ikke noget lignende, fordi både superkapacitorer og batterier er helt forskellige fra hinanden, og de har deres egne applikationer.
Sjov fakta: Næsten alle moderne airbag-controllere drives af superkondensatorer på grund af deres hurtige responstid over batterier.
Sammenlignet med batteriet er Supercapacitor eller Ultracapacitor en energikilde med høj densitet eller lagring med enorm kapacitans i en kort tidsperiode. I denne artikel vil vi diskutere Supercapacitor vs Battery (Lithium / Lead Acid) på forskellige parametre og afslutte med en casestudie for en ingeniør til at forstå, hvor man kunne vælge en supercapacitor frem for et batteri til hans applikationer. Hvis du er nybegynder til Supercapacitors, anbefales det stærkt at lære det grundlæggende i Supercapacitors, inden du går videre.
Effektdensitet
Superkondensatorer har en høj effekttæthed end det samme nominelle batteri. Selvom der findes forskellige slags batterier på markedet, har lithium-ion-, polymer-, bly-syrebatterier f.eks. Forskellig effekttæthed fra 1000 Wh pr. Kg til 2000 Wh pr. Kg. Vurderingerne kan også variere meget afhængigt af fremstillingsprocessen. Sammenligningstabellen nedenfor viser effekttætheden for Supercapacitor vs Battery.
Men for en superkondensator varierer effekttætheden fra 2500 Wh pr. Kg til 45.000 Wh pr. Kg. Det er meget større end effekttætheden for de samme batterier.
På grund af den høje effekttæthed er en superkondensator en nyttig strømkilde, hvor der kræves større spidsstrøm.
Cellespænding
I forskellige anvendelsesformer er indgangsspændingen ofte en stor faktor. Der er åbenbart forskellige slags spændingsregulatorer tilgængelige på markedet, men alligevel blev indgangsspændingen over en regulator en vigtig del af applikationen. Nedenstående figur viser udgangsspændingen fra Supercapacitor vs Battery for det samme antal celler.
For eksempel kræver en applikation med en lineær spændingsregulator som 7812 mindst 15V input. Et enkeltcellet litiumbatteri giver 3,2 volt ved den laveste opladningsforhold og 4,2 volt ved den højeste opladningsforhold. Derfor kræves mindst 5 batterier i serieforbindelse for at kompensere med indgangsspændingsspecifikationen, men superkondensator kan levere 2,5 volt til 5,5 volt output. Superkondensatorer har en høj cellespænding på 5,5 V sammenlignet med 3,7 V for et typisk Lithium-batteri. Således ignorerer andre begrænsninger af en superkapacitor, kan kredsløbsdesigneren vælge tre 5,5 volt superkondensatorer i serie. Over batteriet er dette utvivlsomt et pluspunkt for superkondensatorer i situationer med pladsbegrænsning eller omkostningsoptimering til formål.
Effektivitet
Med hensyn til effektivitet er superkondensatorer 95% mere effektive end batterierne, som er 60-80% effektive under forhold med fuld belastning. Batterier i høj belastning spreder varme, der bidrager til lav effektivitet. Batteritemperatur og andre parametre skal også overvåges under opladning og afladning ved hjælp af et batteristyringssystem (BMS), mens sådanne strenge overvågningssystemer muligvis ikke er nødvendige i superkondensatorer. Den Effektivitet af ultrakapacitoren vs Batteriet er vist i nedenstående figur. Det skal dog bemærkes, at Supercapacitor også genererer nominel varme under drift.
Genanvendelighed og levetid
Batteriets levetid er meget pålidelig på opladnings- og afladningscyklusser. I tilfælde af lithium- og blybatterier er opladnings- og afladningstiderne begrænset fra 300 til 500 cyklusser, nogle gange kan det maksimalt være 1000 gange. Levetiden uden opladning og afladning af lithiumbatterier kan vare i et tidsrum på 7 år.
En superkapacitor har næsten uendelige opladningscyklusser, den kan oplades og aflades et stort antal gange; det kan være fra 1 lakh til 1 million tid. Levetiden for en superkondensator er også høj. En superkapacitor kan vare i 10-18 år, mens et blybatteri kun kan vare omkring 3-5 år.
Afladningsspændingsfaktor
Et batteri giver en relativt konstant udgangsspænding. Men en superkondensatorudgangsspænding falder under afladningsforhold. Derfor, mens man bruger batterier som en strømkilde, kan man bruge buck eller boost-regulator afhængigt af applikationskravene, men mens man bruger en superkondensator, er det et populært valg at bruge en boost-konverter til et bredt spektrum for at kompensere for inputspændingstabet.
Lade tid
Forskellige batterier bruger forskellige opladningsalgoritmer. Til opladning af lithium-ion-batterier anvendes opladere med konstant spænding og konstant strømopladning. Opladeren skal være specielt konfigureret til at registrere batteriets opladningstilstand såvel som temperaturen. I tilfælde af bly-syre-batterier anvendes vedligeholdelsesopladningsmetode.
Alt i alt tager det timer at oplade batterier uafhængigt af lithium-ion eller blysyre. Den supercapacitor har aftensmad hurtig opladning tid; det har brug for en meget kort periode for at få en fuld opladning. Derfor, for applikationer, hvor det kræves, at opladningstiden er meget mindre, vinder superkondensatorer bestemt den samme kapacitet af batterier.
Koste
Omkostninger er en vigtig parameter for produktdesignrelaterede problemer. Superkondensatorer er et kostbart alternativ, når de bruges i stedet for batterier. Omkostningerne bliver undertiden meget høje, f.eks. 10 gange højere sammenlignet med den samme kapacitet på batteriet.
Risikofaktorer
Lithium- eller blybatterier kræver særlig forsigtighed eller opmærksomhed under drifts- eller opladningsforhold. Især for lithium-ion-batterier skal opladningstopologien konfigureres på en sådan måde, at batteriet ikke bør overoplades eller oplades med en højere strømkapacitet, end batteriet faktisk kan acceptere. Dette øger risikoen for en eksplosion, hver gang batteriet er overopladet eller opladet med en høj strøm.
Ikke kun i opladningstilstand, men batterierne skal også betjenes omhyggeligt under afladningssituationer. Dyb afladningstilstand kan potentielt skade batteriets levetid. Derfor skal batteriet afbrydes fra belastningen, når det er nået til et bestemt niveau af opladningstilstand. Kortslutning af et batteri er også en farlig situation.
Superkondensatorer er sikrere end batterierne med hensyn til ovenstående risikofaktorer. Opladning af en superkondensator ved hjælp af en højere spænding end dens rating er dog potentielt skadelig for superkondensatorerne. Men når der oplades mere end en enkelt kondensator, kan det blive et komplekst job.
Casestudie
Lad os overveje en situation, hvor vi vil tænde 10 parallelle lysdioder i 1 time. Lad os finde ud af til denne applikation, som ingeniør skal vi overveje at bruge et superkapacitor eller lithiumbatteri?
Lad os antage, at LED'erne trækker 30mA strøm ved 2,5V. Derfor vil effekten på 10 lysdioder parallelt være
2,5 V x 0,03 x 10 = 0,75 Watt
Nu, for 1 times brug, der er 3600 sekunder, kan den krævede energi beregnes som
3600 x 0,75 = 2700 Joule.
Hvis vi overvejer en 10F 2,5V superkondensator, kan den gemme E = 1 / 2CV 2, hvilket er
½ x 10 x 2,5 2 = 31,25 Joule
Derfor har man brug for mindst 85 superkondensatorer parallelt med den samme vurdering. Det er klart, at i denne specifikke applikation er batteri det første valg. Men hvis denne applikation ændres til en bestemt applikation, hvor den samme mængde strøm kun kræves i 30 sekunder, kan Supercapacitor være et valg, da det kan oplades meget hurtigt og kan bruges i meget lang tid.
Konklusion
Ovenstående sammenligning udføres kun mellem specifikke batterier (lithium eller blysyre) med superkondensatorer. Der er dog forskellige batterier med forskellige kemiske sammensætninger. På den anden side er der også forskellige superkondensatorer med forskellige kemiske sammensætninger, såsom en vandig elektrolytisk superkondensator eller med en ionisk flydende superkondensator såvel som hybrid og organiske elektrolytiske superkondensatorer også på markedet. Forskellige sammensætninger har forskellige arbejdskarakteristika og specifikationer.
Superkondensatorer har meget mere positive punkter med hensyn til anvendelsen end batterierne. Men det har også negative sider sammenlignet med batterier. Derfor er anvendelsen af superkondensatorer meget pålidelig af applikationstypen.