Superkondensatorius ir akumuliatorius

Ilgai diskutuojama, kad ateityje superkondensatoriai pakeis akumuliatorių rinką. Praėjus keleriems metams nuo tada, kai buvo įsigyti superkondensatoriai, kilo didžiulis ažiotažas ir daugelis tikėjosi, kad jis pakeis komercinių elektroninių gaminių ir net elektrinių transporto priemonių baterijas. Bet iš tikrųjų nieko panašaus neatsitiko, nes tiek superkondensatoriai, tiek baterijos visiškai skiriasi viena nuo kitos ir jos turi savo programas.

Įdomus faktas: beveik visi šiuolaikiniai oro pagalvių valdikliai yra varomi superkondensatorių, nes jie greitai reaguoja į baterijas.

Palyginti su akumuliatoriumi, „Supercapacitor“ arba „Ultracapacitor“ yra didelio tankio energijos šaltinis arba akumuliatorius, turintis didžiulę talpą trumpą laiką. Šiame straipsnyje aptarsime „ Supercapacitor vs Battery“ (ličio / švino rūgštis) apie įvairius parametrus ir pabaigsime inžinieriaus atvejo tyrimą, kad suprastume, kur galima pasirinkti superkondensatorių, o ne akumuliatorių jo programoms. Jei esate „Supercapacitors“ naujokas, prieš pradedant toliau, labai rekomenduojama išmokti „Supercapacitors“ pagrindų.

Galios tankis

Superkondensatoriai turi didelį energijos tankį nei ta pati vardinė baterija. Nors rinkoje yra įvairių rūšių baterijų, pavyzdžiui, ličio jonų, polimerų, švino ir rūgščių akumuliatorių galios tankis skiriasi - nuo 1000 Wh / kg iki 2000 Wh / kg. Įvertinimai taip pat gali labai skirtis, priklausomai nuo gamybos proceso. Žemiau pateiktoje palyginimo lentelėje parodytas „ Supercapacitor“ ir „Battery“ galios tankis.

Tačiau superkondensatoriaus galios tankis svyruoja nuo 2500 Wh / kg iki 45000 Wh / kg. Tai yra daug didesnis nei tų pačių vardinių baterijų maitinimo tankis.

Dėl didelio galios tankio superkondensatorius yra naudingas energijos šaltinis, kur reikalinga didesnė smailės srovė.

Ląstelės įtampa

Skirtingose ​​programose dažnai įėjimo įtampa yra didelis veiksnys. Akivaizdu, kad rinkoje yra įvairių įtampos reguliatorių, tačiau vis tiek reguliatoriaus įėjimo įtampa tapo svarbia programos dalimi. Žemiau pateiktame paveikslėlyje parodyta „ Supercapacitor vs Battery“ išėjimo įtampa tam pačiam elementų skaičiui.

Pvz., Taikant linijinį įtampos reguliatorių, pvz., 7812, reikia bent 15 V įėjimo. Vieno elemento ličio baterija maitina 3,2 voltais esant mažiausiai įkrovimo būsenai ir 4,2 voltų esant didžiausio įkrovimo būsenai. Todėl norint kompensuoti įvesties įtampos specifikacijas, reikalingi mažiausiai 5 nuosekliai prijungti akumuliatoriai, tačiau superkondensatorius gali užtikrinti nuo 2,5 iki 5,5 voltų išėjimą. Superkondensatoriai turi aukštą 5,5 V elementų įtampą, palyginti su 3,7 V tipinės ličio baterijos įtampa. Taigi, nepaisydamas kitų superkondensatoriaus apribojimų, grandinės projektuotojas gali pasirinkti tris 5,5 voltų superkondensatorius iš eilės. Be akumuliatoriaus, tai neabejotinai yra pliusas superkondensatorių, kai susidaro vietos apribojimai arba išlaidų optimizavimas.

Efektyvumas

Kalbant apie efektyvumą, superkondensatoriai yra 95 proc. Efektyvesni nei akumuliatoriai, kurie 60–80 proc. Efektyvūs esant pilnai apkrovai. Didelės apkrovos akumuliatoriai išsklaido šilumą, kuri prisideda prie mažo efektyvumo. Be to, akumuliatoriaus temperatūra ir kiti parametrai turėtų būti stebimi kraunant ir iškraunant naudojant baterijos valdymo sistemą (BMS), o superkondensatoriuose tokios griežtos stebėjimo sistemos gali ir nereikėti. Iš Ultracapacitor Efektyvumas vs baterija yra parodyta žemiau paveikslėlyje. Tačiau reikia pažymėti, kad veikiant, superkondensatorius sukuria ir vardinę šilumą.

Pakartotinis naudojimas ir gyvenimo trukmė

Akumuliatoriaus tarnavimo laikas labai priklauso nuo įkrovimo ir iškrovimo ciklų. Ličio ir švino rūgšties akumuliatorių įkrovimo ir iškrovimo laikas ribojamas nuo 300 iki 500 ciklų, kartais tai gali būti ne daugiau kaip 1000 kartų. Gyvenimo trukmė be ličio baterijų įkrovimo ir iškrovimo gali trukti 7 metus.

Superkondensatorius beveik turi begalinį įkrovimo ciklą, jį galima įkrauti ir iškrauti daugybę kartų; tai gali būti nuo 1 iki 1 milijono laiko. Superkondensatoriaus gyvenimo trukmė taip pat yra ilga. Superkondensatorių gali tęstis 10-18 metų, o rūgštinis akumuliatorius gali trukti tik apie 3-5 metus.

Iškrovos įtampos koeficientas

Baterija užtikrina santykinai pastovią išėjimo įtampą. Tačiau superkondensatoriaus išėjimo įtampa sumažėja iškrovos sąlygomis. Todėl naudojant baterijas kaip energijos šaltinį, atsižvelgiant į taikymo reikalavimus, galima naudoti „buck“ arba „boost“ reguliatorius, tačiau, naudojant superkondensatorių, populiarus pasirinkimas yra naudoti plataus diapazono stiprinimo keitiklį įėjimo įtampos nuostoliams kompensuoti.

Įkrovimo laikas

Skirtingose ​​baterijose naudojami skirtingi įkrovimo algoritmai. Ličio jonų akumuliatorių įkrovimui naudojami nuolatinės įtampos ir nuolatinės srovės įkrovikliai. Įkroviklis turi būti specialiai sukonfigūruotas, kad būtų galima nustatyti akumuliatoriaus įkrovimo būseną ir temperatūrą. Rūgštinių švino akumuliatorių atveju naudojamas srovės įkrovimo metodas.

Apskritai, norint įkrauti baterijas, nepriklausomai nuo ličio jonų ar švino rūgšties, pilnai įkrauti reikia kelias valandas. Superkondensatorių yra vakarienė greitai įkrovimo laikas; norint gauti pilną įkrovą, reikia labai trumpo laikotarpio. Todėl tose programose, kuriose reikalaujama, kad įkrovimo laikas būtų labai trumpas, superkondensatoriai neabejotinai laimės tą pačią baterijų talpą.

Kaina

Kaina yra svarbus parametras sprendžiant su gaminio dizainu susijusius klausimus. Superkondensatoriai yra brangi alternatyva, kai jie naudojami vietoj baterijų. Kartais išlaidos tampa labai didelės, pvz., 10 kartų didesnės, palyginti su ta pačia akumuliatoriaus talpa.

Rizikos veiksniai

Ličio arba švino rūgšties akumuliatoriams reikia ypatingos priežiūros ar atsargumo, kai veikia ar kraunama. Ypač ličio jonų akumuliatorių atveju įkrovimo topologija turi būti sukonfigūruota taip, kad akumuliatorius nebūtų perkrautas ar įkrautas didesne srove, nei akumuliatorius iš tikrųjų gali priimti. Tai padidina sprogimo riziką, kai akumuliatorius yra įkrautas arba įkrautas didele srove.

Iškraunant reikia atsargiai naudoti baterijas ne tik įkrovimo būsenoje. Gilus išsikrovimas gali pakenkti baterijos veikimo laikui. Todėl akumuliatorių reikia atjungti nuo apkrovos, kai jis pasiekia tam tikrą įkrovimo būseną. Taip pat trumpas akumuliatoriaus jungimas yra pavojinga situacija.

Superkondensatoriai yra saugesni nei baterijos, atsižvelgiant į aukščiau nurodytus rizikos veiksnius. Tačiau superkondensatoriaus įkrovimas naudojant didesnę nei jo galia įtampą, gali pakenkti superkondensatoriams. Tačiau įkraunant daugiau nei vieną kondensatorių, tai gali tapti sudėtingu darbu.

Atvejo analizė

Apsvarstykime situaciją, kai norime 1 valandą įjungti 10 lygiagrečių šviesos diodų. Sužinokime, ar šioje programoje, kaip inžinierius, turėtume apsvarstyti galimybę naudoti superkondensatorių ar ličio bateriją?

Tarkime, kad šviesos diodai ištraukia 30 mA srovę esant 2,5 V įtampai. Todėl 10 lygiagrečių šviesos diodų galia bus

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

Dabar, naudojant 1 valandą naudojimo, kuris yra 3600 sekundžių, reikalingą energiją galima apskaičiuoti kaip

3600 x 0,75 = 2700 džaulių.

Jei atsižvelgsime į 10F 2,5 V superkondensatorių, jis gali laikyti E = 1 / 2CV ^2, kuris yra

½ x 10 x 2,5 ² = 31.25 džaulių

Todėl tam pačiam reitingui lygiagrečiai reikia mažiausiai 85 superkondensatorių. Akivaizdu, kad šioje konkrečioje programoje akumuliatorius bus pirmas pasirinkimas. Bet jei ši programa pasikeitė į konkrečią programą, kur tiek pat energijos reikia tik 30 sekundžių, „Supercapacitor“ gali būti pasirinkimas, nes ją galima įkrauti labai greitai ir naudoti ilgą laiką.

Išvada

Aukščiau pateiktas palyginimas atliekamas tik su specialiais akumuliatoriais (ličio arba švino rūgštimi) su superkondensatoriais. Tačiau yra skirtingų baterijų, kurių cheminė sudėtis skiriasi. Kita vertus, rinkoje taip pat yra skirtingų superkondensatorių, turinčių skirtingą cheminę sudėtį, pavyzdžiui, vandeninis elektrolitinis superkondensatorius arba joninis skystas superkondensatorius, taip pat hibridiniai ir organiniai elektrolitiniai superkondensatoriai. Skirtingos kompozicijos turi skirtingas darbo charakteristikas ir specifikacijas.

Superkondensatoriai turi daug daugiau teigiamų taškų, palyginti su baterijomis. Tačiau jis taip pat turi neigiamų pusių, palyginti su baterijomis. Todėl superkondensatorių naudojimas labai priklauso nuo naudojimo tipo.