Superkondensator vs batteri

Det er lang debatt om at Supercapacitors vil overstyre batterimarkedet i fremtiden. For noen år tilbake da superkondensatorer ble gjort tilgjengelig, var det en enorm hype om det, og mange forventet at det skulle erstatte batteriene i kommersielle elektroniske produkter og til og med i elektriske kjøretøyer. Men ingenting slikt skjedde faktisk, fordi både superkondensatorer og batterier er helt forskjellige fra hverandre, og de har sine egne applikasjoner.

Morsom fakta: Nesten alle moderne kollisjonsputekontrollere drives av superkondensatorer på grunn av deres raske responstid over batterier.

Sammenlignet med batteriet er Supercapacitor eller Ultracapacitor en energikilde med høy tetthet eller lagring med stor kapasitans i kort tid. I denne artikkelen vil vi diskutere Supercapacitor vs Battery (Lithium / Lead Acid) på forskjellige parametere og avslutte med en casestudie for en ingeniør for å forstå hvor man kan velge en supercapacitor over et batteri for sine applikasjoner. Hvis du er en nybegynner for Supercapacitors, anbefales det sterkt å lære det grunnleggende om Supercapacitors før du går videre.

Kraft tetthet

Superkondensatorer har høy effekttetthet enn det samme batteriet. Selv om det finnes forskjellige typer batterier i markedet, har for eksempel litiumion-, polymer-, blysyrebatterier forskjellig effekttetthet, fra 1000 Wh per kg til 2000 Wh per kg. Rangeringene kan også variere mye avhengig av produksjonsprosessen. Sammenligningstabellen nedenfor viser effekttettheten til Supercapacitor vs Battery.

Men for en superkondensator varierer effekttettheten fra 2500 Wh per kg til 45000 Wh per kg. Det er mye større enn effekttettheten til de samme batteriene.

På grunn av den høye effekttettheten er en superkondensator en nyttig strømkilde der det kreves større toppstrøm.

Cellespenning

I forskjellige applikasjoner er inngangsspenningen ofte en stor faktor. Åpenbart er det forskjellige typer spenningsregulatorer tilgjengelig i markedet, men inngangsspenningen over en regulator ble likevel en viktig del av applikasjonen. Figuren nedenfor viser utgangsspenningen til Supercapacitor vs Battery for samme antall celler.

For eksempel krever en applikasjon med en lineær spenningsregulator som 7812 minst 15V inngang. Et encellet litiumbatteri gir 3,2 volt ved laveste ladetilstand og 4,2 volt ved høyest ladetilstand. Derfor, for å kompensere for inngangsspenningsspesifikasjonen, kreves minst 5 batterier i seriekobling, men superkondensatoren kan gi 2,5 volt til 5,5 volt utgang. Superkondensatorer har en høy cellespenning på 5,5V sammenlignet med 3,7V for et typisk litiumbatteri. Dermed kan kretsdesigneren ignorere andre begrensninger for en superkondensator, og velge tre 5,5 volt superkondensatorer i serie. Over batteriet er dette utvilsomt et pluss poeng med superkondensatorer i rombegrensningssituasjoner eller kostnadsoptimalisering for formål.

Effektivitet

Når det gjelder effektivitet, er superkondensatorer 95% mer effektive enn batteriene som er 60-80% effektive under full belastning. Batterier i høy belastning avgir varme som bidrar til lav effektivitet. Batteritemperatur og andre parametere bør også overvåkes under lading og utlading ved hjelp av et batteristyringssystem (BMS), mens det ikke er nødvendig med slike strenge overvåkningssystemer i superkondensatorer. Den Effektivitet av ultracapacitor vs Battery er vist i figuren nedenfor. Det skal imidlertid bemerkes at Supercapacitor også genererer nominell varme under drift.

Gjenbrukbarhet og levetid

Batteriets levetid er svært pålitelig på lade- og utladningssyklusene. Når det gjelder litium- og blybatterier, er ladetiden og utladningstiden begrenset fra 300 til 500 sykluser, noen ganger kan den maksimalt være 1000 ganger. Levetiden uten lading og utladningssituasjon litiumbatterier kan vare i en periode på 7 år.

En superkondensator har nesten uendelige ladesykluser, den kan lades og tømmes et stort antall ganger; det kan være fra 1 lakh til 1 million tid. Levetiden til en superkondensator er også høy. En superkondensator kan vare i 10-18 år, mens et blybatteri bare kan vare i 3-5 år.

Utladningsspenningsfaktor

Et batteri gir en relativt konstant utgangsspenning. Men en superkondensatorutgangsspenning avtar under utladningsforhold. Derfor, mens man bruker batterier som strømkilde, kan man bruke bukk- eller boostregulator avhengig av applikasjonskravene, men mens man bruker en superkondensator, er det et populært valg å bruke en boost-omformer for bredt spekter for å kompensere inngangsspenningstapet.

Ladetid

Ulike batterier bruker forskjellige ladealgoritmer. For å lade litiumionbatterier brukes konstant spenning og lader med konstant strøm. Laderen må være spesielt konfigurert for å oppdage batteriets ladetilstand og temperaturen. For blybatterier brukes vedlikeholdslading.

Samlet sett tar det timer å lade opp batteriene uavhengig av litiumion eller blysyre. Den supercapacitor har kveldsmat rask ladetid; det trenger veldig kort tid for å få fulladet. Derfor, for applikasjoner der det kreves en veldig kortere ladetid, vinner superkondensatorer definitivt over samme kapasitet på batterier.

Koste

Kostnad er en viktig parameter for produktdesignrelaterte problemer. Superkondensatorer er et kostbart alternativ når de brukes i stedet for batterier. Kostnaden blir noen ganger veldig høy, for eksempel 10 ganger høyere sammenlignet med den samme kapasiteten til batteriet.

Risikofaktorer

Litium- eller blybatterier krever spesiell forsiktighet eller oppmerksomhet under drifts- eller ladeforhold. Spesielt for litiumionbatterier, må ladetopologien konfigureres på en slik måte at batteriet ikke skal overlades eller lades med en høyere strømkapasitet enn det batteriet faktisk kan akseptere. Dette øker risikoen for en eksplosjon når batteriet er overladet eller ladet med høy strøm.

Ikke bare i ladetilstand, men batteriene må også brukes forsiktig under utladningssituasjoner. Dyp utladningstilstand kan potensielt skade batteriets levetid. Derfor må batteriet kobles fra lasten etter at det er nådd til et visst nivå av ladetilstand. Dessuten er kortslutningen til et batteri en farlig situasjon.

Superkondensatorer er tryggere enn batteriene når det gjelder risikofaktorene ovenfor. Å lade en superkondensator ved å bruke en høyere spenning enn dens rangering er imidlertid potensielt skadelig for superkondensatorene. Men når du lader mer enn en enkelt kondensator, kan det bli en kompleks jobb.

Casestudie

La oss vurdere en situasjon der vi vil lyse 10 parallelle lysdioder i 1 time. For dette programmet, la oss finne ut, som ingeniør, bør vi vurdere å bruke et superkondensator eller litiumbatteri?

La oss anta at lysdiodene trekker 30mA strøm ved 2,5V. Derfor vil effekten på 10 lysdioder parallelt være

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

Nå, for 1 times bruk, som er 3600 sekunder, kan den nødvendige energien beregnes som

3600 x 0,75 = 2700 Joule.

Hvis vi vurderer en 10F 2,5V superkondensator, kan den lagre E = 1 / 2CV ² som er

½ x 10 x 2,5 ² = 31,25 Joules

Derfor trenger man minst 85 superkondensatorer parallelt med samme vurdering. Åpenbart i dette spesifikke applikasjonen vil batteri være førstevalget. Men hvis denne applikasjonen endret seg til et bestemt program der det kreves like mye strøm bare i 30 sekunder, kan Supercapacitor være et valg, da det kan lades veldig raskt og kan brukes i veldig lang tid.

Konklusjon

Ovennevnte sammenligning gjøres bare mellom spesifikke batterier (litium eller blysyre) med superkondensatorer. Imidlertid er det forskjellige batterier med forskjellige kjemiske sammensetninger. På den annen side er det også forskjellige superkapacitorer med forskjellige kjemiske sammensetninger, slik som en vandig elektrolytisk superkapasitor eller med en ionisk flytende superkapasitor, så vel som hybrid og organiske elektrolytiske superkapacitorer også i markedet. Ulike komposisjoner har forskjellige arbeidsegenskaper og spesifikasjoner.

Superkondensatorer har mye mer positive poeng når det gjelder applikasjonen enn batteriene. Men det har også negative sider sammenlignet med batterier. Derfor er bruken av superkondensatorer svært pålitelig av typen applikasjon.