Существует долгая дискуссия о том, что суперконденсаторы будут доминировать на рынке аккумуляторов в будущем. Несколько лет назад, когда стали доступны суперконденсаторы, вокруг них была огромная шумиха, и многие ожидали, что они заменят батареи в коммерческих электронных продуктах и ​​даже в электромобилях . Но на самом деле ничего подобного не произошло, поскольку и суперконденсаторы, и батареи совершенно отличаются друг от друга и имеют свои собственные применения.

Интересный факт: почти все современные контроллеры подушек безопасности питаются от суперконденсаторов из-за их более быстрого отклика по сравнению с батареями.

По сравнению с батареей, суперконденсатор или ультраконденсатор представляет собой источник или хранилище энергии высокой плотности с огромной емкостью на короткий промежуток времени. В этой статье мы обсудим суперконденсатор и батарею (литиевую/свинцово-кислотную) по различным параметрам и в заключение приведем пример, позволяющий инженеру понять, где можно выбрать суперконденсатор вместо батареи для его приложений. Если вы новичок в суперконденсаторах, настоятельно рекомендуется изучить основы суперконденсаторов, прежде чем продолжить.

Удельная мощность

Суперконденсаторы имеют более высокую удельную мощность, чем батарея той же номинальной мощности. Хотя на рынке представлены разные виды аккумуляторов, например, литий-ионные, полимерные, свинцово-кислотные аккумуляторы имеют разную плотность мощности: от 1000 Втч на кг до 2000 Втч на кг. Рейтинги также могут сильно различаться в зависимости от производственного процесса. В сравнительной таблице ниже показана плотность мощности суперконденсатора и батареи.

Но для суперконденсатора плотность мощности варьируется от 2500 Втч на кг до 45 000 Втч на кг. Это намного больше, чем удельная мощность аккумуляторов той же номинальной мощности.

Из-за высокой плотности мощности суперконденсатор является полезным источником питания там, где требуется больший пиковый ток.

Напряжение ячейки

В различных приложениях входное напряжение часто является важным фактором. Очевидно, что на рынке доступны различные типы стабилизаторов напряжения, но, тем не менее, входное напряжение на стабилизаторе стало важной частью приложения. На рисунке ниже показано выходное напряжение суперконденсатора и батареи для того же количества ячеек.

Например, для приложения с линейным стабилизатором напряжения, например 7812, требуется входное напряжение не менее 15 В. Одноэлементная литиевая батарея обеспечивает напряжение 3,2 В при минимальном уровне заряда и 4,2 В при максимальном уровне заряда. Следовательно, для компенсации входного напряжения требуется как минимум 5 батарей, соединенных последовательно, но суперконденсатор может обеспечить выходное напряжение от 2,5 до 5,5 В. Суперконденсаторы имеют высокое напряжение элемента — 5,5 В по сравнению с 3,7 В типичной литиевой батареи. Таким образом, игнорируя другие ограничения суперконденсатора, разработчик схемы может выбрать три последовательно соединенных суперконденсатора на напряжение 5,5 В. По сравнению с батареей это, несомненно, плюс суперконденсаторов в ситуациях с ограниченным пространством или для оптимизации затрат.

Эффективность

С точки зрения эффективности суперконденсаторы на 95% более эффективны чем батареи, эффективность которых составляет 60-80% в условиях полной нагрузки. Батареи при высокой нагрузке рассеивают тепло, что приводит к снижению эффективности. Кроме того, температура батареи и другие параметры должны контролироваться во время зарядки и разрядки с помощью системы управления батареями (BMS), тогда как в суперконденсаторах такие строгие системы мониторинга могут не потребоваться.

Эффективность ультраконденсатора по сравнению с батареей показана на рисунке ниже. Однако следует отметить, что суперконденсатор также выделяет номинальное тепло во время работы.

Многоразовое использование и срок службы

Срок службы аккумулятора во многом зависит от циклов зарядки и разрядки. В случае с литиевыми и свинцово-кислотными аккумуляторами время зарядки и разрядки ограничено от 300 до 500 циклов, иногда может составлять максимум 1000 раз. Срок службы литиевых батарей без зарядки и разрядки может составлять 7 лет.

Суперконденсатор имеет почти бесконечные циклы заряда , его можно заряжать и разряжать огромное количество раз. Срок службы суперконденсатора также высок. Суперконденсатор может прослужить 10–18 лет, а свинцово-кислотный аккумулятор — всего 3–5 лет.

Коэффициент напряжения разряда

Батарея обеспечивает относительно постоянное выходное напряжение. Но выходное напряжение суперконденсатора снижается в условиях разряда. Таким образом, при использовании батарей в качестве источника питания можно использовать понижающий или повышающий стабилизатор в зависимости от требований приложения, но при использовании суперконденсатора популярным выбором является использование повышающего преобразователя широкого диапазона для компенсации потерь входного напряжения.

Время зарядки

Разные аккумуляторы используют разные алгоритмы зарядки. Для зарядки литий-ионных аккумуляторов используются зарядные устройства постоянного напряжения и постоянного тока. Зарядное устройство должно быть специально настроено для определения состояния заряда аккумулятора, а также температуры. Для свинцово-кислотных аккумуляторов используется метод капельной зарядки.

В целом, чтобы зарядить аккумуляторы, независимо от того, литий-ионные или свинцово-кислотные, полная зарядка занимает несколько часов. Суперконденсатор имеет очень быстрое время зарядки; для полной зарядки требуется очень короткий период времени. Поэтому для приложений, где время зарядки должно быть как можно меньше, суперконденсаторы определенно выигрывают у батарей той же емкости.

Расходы

Стоимость является важным параметром при решении вопросов, связанных с дизайном продукта. Суперконденсаторы являются дорогостоящей альтернативой при использовании вместо батарей. Стоимость иногда становится очень высокой, например, в 10 раз выше по сравнению с аккумулятором той же емкости.

Факторы риска

Литиевые или свинцово-кислотные аккумуляторы требуют особого ухода и внимания во время эксплуатации и зарядки. Особенно для литий-ионных аккумуляторов топология зарядки должна быть настроена таким образом, чтобы аккумулятор не перезаряжался и не заряжался током большей емкости, чем он может фактически выдержать. Это увеличивает риск взрыва, когда аккумулятор перезаряжен или заряжается высоким током.

Аккумуляторы необходимо осторожно эксплуатировать не только в состоянии зарядки, но и во время разрядки. Состояние глубокого разряда потенциально может привести к сокращению срока службы батареи. Поэтому аккумулятор необходимо отключать от нагрузки после достижения определенного уровня заряда. Также опасной ситуацией является короткое замыкание аккумулятора.

Суперконденсаторы безопаснее аккумуляторов с точки зрения вышеперечисленных факторов риска. Однако зарядка суперконденсатора с использованием более высокого напряжения, чем его номинал, потенциально вредна для суперконденсаторов. Но при зарядке более чем одного конденсатора это может стать сложной задачей.

Тематическое исследование

Рассмотрим ситуацию, когда мы хотим зажечь 10 параллельных светодиодов в течение 1 часа. Давайте выясним, что для этого приложения, как инженеру, следует рассмотреть возможность использования суперконденсатора или литиевой батареи?

Предположим, что светодиоды потребляют ток 30 мА при напряжении 2,5 В. Следовательно, мощность 10 параллельно включенных светодиодов будет равна

Теперь для 1 часа использования, что составляет 3600 секунд, требуемая энергия может быть рассчитана как

Если мы рассмотрим суперконденсатор 10F 2,5 В, он может хранить E = 1/2CV², что

Следовательно, необходимо как минимум 85 параллельно включенных суперконденсаторов одинакового номинала. Очевидно, что в этом конкретном случае батарея будет лучшим выбором. Но если это приложение изменится на конкретное приложение, где такое же количество энергии требуется только в течение 30 секунд, суперконденсатор может стать лучшим выбором, поскольку его можно заряжать очень быстро и использовать в течение очень длительного периода времени.

Заключение

Приведенное выше сравнение проводится только между конкретными батареями (литиевыми или свинцово-кислотными) с суперконденсаторами. Однако существуют разные батареи с разным химическим составом. С другой стороны, на рынке также имеются различные суперконденсаторы с разным химическим составом, такие как суперконденсаторы с водным электролитом или суперконденсатор с ионной жидкостью, а также гибридные и органические электролитические суперконденсаторы. Различные составы имеют разные рабочие характеристики и характеристики.

Суперконденсаторы имеют гораздо больше положительных сторон с точки зрения применения, чем батареи. Но у него есть и отрицательные стороны по сравнению с аккумуляторами. Таким образом, использование суперконденсаторов во многом зависит от типа применения.

58 просмотров