Szuperkondenzátor vs akkumulátor

Hosszú vita folyik arról, hogy a szuperkondenzátorok felülírják az akkumulátorok piacát a jövőben. Néhány évvel ezelőtt, amikor a szuperkondenzátorokat elérhetővé tették, hatalmas felhajtás támadt róla, és sokan arra számítottak, hogy a kereskedelmi elektronikai termékek, sőt az elektromos járművek akkumulátorait is kicserélik. De valójában semmi ilyesmi nem történt, mert a szuperkondenzátorok és az akkumulátorok is teljesen különböznek egymástól, és saját alkalmazásuk van.

Szórakoztató tény: Szinte az összes modern légzsákvezérlőt szuperkondenzátorok működtetik, mivel az akkumulátorok gyors reakcióidővel rendelkeznek.

Az akkumulátorhoz képest a Supercapacitor vagy az Ultracapacitor egy nagy sűrűségű energiaforrás vagy tároló, hatalmas kapacitással, rövid ideig. Ebben a cikkben a Supercapacitor vs Battery (lítium / ólomsav) elemzésével foglalkozunk különféle paramétereken, és egy mérnök által végzett esettanulmánnyal fejezzük be, hogy megértsük, hol lehet szuperkondenzátort választani az akkumulátor helyett az alkalmazásokhoz. Ha Ön a Supercapacitors kezdője, akkor nagyon ajánlott, hogy a továbblépés előtt elsajátítsa a Supercapacitors alapjait.

Teljesítménysűrűség

A szuperkondenzátorok nagy teljesítménysűrűségűek, mint ugyanaz a névleges akkumulátor. Bár a piacon különféle akkumulátorok vannak, például a lítium-ion, a polimer, az ólom-sav akkumulátorok teljesítmény-sűrűsége eltérő, 1000 Wh / kg és 2000 Wh / kg között. A minősítések a gyártási folyamattól függően nagyon változhatnak. Az alábbi összehasonlító táblázat a Supercapacitor és az akkumulátor teljesítménysűrűségét mutatja.

A szuperkondenzátorok esetében azonban a teljesítménysűrűség 2500 Wh / kg és 45000 Wh / kg között változik. Ez sokkal nagyobb, mint az azonos névleges akkumulátorok teljesítménysűrűsége.

A nagy teljesítménysűrűség miatt a szuperkondenzátor hasznos áramforrás, ahol nagyobb csúcsáramra van szükség.

Cella feszültsége

Különböző típusú alkalmazásokban gyakran a bemeneti feszültség nagy tényező. Nyilvánvaló, hogy különböző típusú feszültségszabályozók állnak rendelkezésre a piacon, de a szabályozón átmenő bemeneti feszültség mégis az alkalmazás fontos részévé vált. Az alábbi ábra a Supercapacitor vs Battery kimeneti feszültségét mutatja ugyanannyi cellára.

Például egy olyan lineáris feszültségszabályozóval rendelkező alkalmazáshoz, mint a 7812, legalább 15 V bemenetre van szükség. Az egycellás lítium akkumulátor 3,2 voltot szolgáltat a legalacsonyabb töltöttségi állapot mellett, 4,2 voltot a legnagyobb töltöttség mellett. Ezért a bemeneti feszültség specifikációjának kompenzálásához legalább 5 elemre van szükség soros csatlakozással, de a szuperkondenzátor 2,5 és 5,5 volt közötti kimenetet képes biztosítani. A szuperkondenzátorok magas cellás feszültsége 5,5 V, összehasonlítva egy tipikus lítium akkumulátor 3,7 V-os feszültségével. Így a szuperkondenzátor egyéb korlátozásait figyelmen kívül hagyva az áramköri tervező három 5,5 voltos szuperkondenzátort választhat sorba. Az akkumulátor felett ez kétségtelenül a szuperkondenzátorok plusz pontja a helyszűke vagy a költségek optimalizálása céljából.

Hatékonyság

A hatékonyság szempontjából a szuperkondenzátorok 95% -kal hatékonyabbak, mint az akkumulátorok, amelyek teljes terhelés mellett 60-80% -kal hatékonyabbak. A nagy terhelésű akkumulátorok elvezetik a hőt, ami hozzájárul az alacsony hatékonysághoz. Emellett az akkumulátor hőmérsékletét és egyéb paramétereit a töltés és a lemerülés során figyelemmel kell kísérni egy Battery Management System (BMS) használatával, míg a szuperkondenzátorokban ilyen szigorú felügyeleti rendszerekre nincs szükség. Az ultrakondenzátor és az akkumulátor hatékonysága az alábbi ábrán látható. Meg kell azonban jegyezni, hogy a szuperkondenzátor névleges hőt is termel működés közben.

Újrafelhasználhatóság és élettartam

Az akkumulátor élettartama nagyban függ a töltési és kisütési ciklusoktól. Lítium- és ólom-savas akkumulátorok esetében a töltési és kisütési idők 300 és 500 ciklus között korlátozottak, néha legfeljebb 1000-szeresek lehetnek. Az élettartam a lítium akkumulátorok töltési és kisütési helyzete nélkül 7 évig tarthat.

A szuperkondenzátornak szinte végtelen töltési ciklusai vannak, rengetegszer lehet feltölteni és kisütni; 1 tó és 1 millió idő között lehet. A szuperkondenzátor élettartama is magas. A szuperkondenzátor 10-18 évig tarthat, míg az ólom-sav akkumulátor csak 3-5 évig tart.

Kibocsátási feszültség tényező

Az akkumulátor viszonylag állandó kimeneti feszültséget biztosít. De a szuperkondenzátor kimeneti feszültsége csökken a kisütési körülmények között. Ezért, miközben az elemeket áramforrásként használja, az alkalmazási követelményektől függően lehet bakot vagy töltésszabályozót használni, de szuperkondenzátor használata közben népszerű választás a széles tartományú boost konverter használata a bemeneti feszültségveszteség kompenzálására.

Töltési idő

A különböző akkumulátorok különböző töltési algoritmusokat használnak. A lítium-ion akkumulátorok töltésére állandó feszültségű és állandó áramú töltőt használnak. A töltőt külön kell konfigurálni az akkumulátor töltési állapotának és a hőmérsékletnek az érzékelésére. Az ólom-sav akkumulátorok esetében csepegtető töltési módszert alkalmaznak.

Összességében az akkumulátorok töltése, függetlenül a lítium-iontól vagy az ólom-savtól, órákig tart, amíg teljesen feltöltődik. A szuperkondenzátor vacsora gyors töltési idővel rendelkezik; nagyon rövid időre van szüksége a teljes töltéshez. Ezért azoknál az alkalmazásoknál, ahol a töltési időnek nagyon rövidnek kell lennie, a szuperkondenzátorok mindenképpen azonos kapacitású akkumulátorokat nyernek meg.

Költség

A költség fontos paraméter a terméktervezéssel kapcsolatos kérdésekben. Az akkumulátorok helyett használt szuperkondenzátorok költséges alternatívát jelentenek. A költségek néha nagyon magasak, például 10-szer magasabbak, ha összehasonlítjuk az akkumulátor azonos kapacitásával.

Kockázati tényezők

A lítium- vagy ólom-savas akkumulátorok különös gondosságot vagy figyelmet igényelnek működési vagy töltési körülmények között. Különösen a lítium-ion akkumulátorok esetében a töltési topológiát úgy kell konfigurálni, hogy az akkumulátort ne lehessen túltölteni vagy nagyobb kapacitású árammal tölteni, mint amennyit az akkumulátor ténylegesen elfogad. Ez növeli a robbanás kockázatát, ha az akkumulátor túltöltve vagy nagy árammal töltődik fel.

Nem csak töltési állapotban, hanem az akkumulátorokat is gondosan kell működtetni kisütési helyzetekben. A mély lemerülés károsíthatja az akkumulátor élettartamát. Ezért az akkumulátort le kell választani a terhelésről, miután az elérte a töltés egy bizonyos szintjét. Emellett az akkumulátor rövidzárlata veszélyes helyzet.

A szuperkondenzátorok a fenti kockázati tényezők szempontjából biztonságosabbak, mint az elemek. A szuperkondenzátor töltése a névlegesnél nagyobb feszültség mellett azonban potenciálisan káros a szuperkondenzátorokra. De ha egynél több kondenzátort tölt fel, az összetett munkává válhat.

Esettanulmány

Vegyünk egy helyzetet, amikor 10 párhuzamos LED-et akarunk világítani 1 órán keresztül. Ehhez az alkalmazáshoz derítsük ki, mérnökként mérlegeljünk-e egy szuperkondenzátor vagy lítium akkumulátor használatát?

Tegyük fel, hogy a LED-ek 30 mA áramot vesznek fel 2,5 V feszültség mellett. Ezért párhuzamosan 10 LED teljesítménye lesz

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

Most 1 óra használat esetén, ami 3600 másodperc, a szükséges energia kiszámítható

3600 x 0,75 = 2700 joule.

Ha egy 10F-os 2,5 V-os szuperkondenzátort veszünk figyelembe, akkor az képes tárolni az E = 1 / 2CV ² értéket

½ x 10 x 2,5 ² = 31,25 Joule

Ezért legalább 85 szuperkondenzátorra van szükség párhuzamosan, azonos besorolással. Nyilvánvaló, hogy ebben a konkrét alkalmazásban az akkumulátor lesz az első választás. De ha ez az alkalmazás egy speciális alkalmazássá vált, ahol ugyanannyi energiára van szükség csak 30 másodpercig, akkor a Supercapacitor választás lehet, mivel nagyon gyorsan tölthető és nagyon hosszú ideig használható.

Következtetés

A fenti összehasonlítást csak speciális kondenzátorokkal (lítium vagy ólom savak) végezzük. Vannak azonban különböző elemek, különböző kémiai összetételűek. Másrészt különböző szuperkondenzátorok, különböző kémiai összetételűek, például vizes elektrolitikus szuperkondenzátor vagy ionos folyékony szuperkondenzátor, valamint hibrid és szerves elektrolitikus szuperkondenzátorok is vannak a piacon. A különböző kompozícióknak eltérő működési jellemzők és specifikációk vannak.

A szuperkondenzátorok sokkal több pozitív ponttal rendelkeznek az alkalmazás szempontjából, mint az elemek. De negatív oldalai is vannak az akkumulátorokhoz képest. Ezért a szuperkondenzátorok használata nagymértékben megbízható az alkalmazás típusától.