Superkondensators vs akumulators

Ir ilgas debates, ka Superkondensatori nākotnē pārspēs akumulatoru tirgu. Dažus gadus atpakaļ, kad tika piedāvāti superkondensatori, par to bija milzīgs satraukums, un daudzi cerēja, ka tas nomainīs baterijas komerciālajos elektroniskajos izstrādājumos un pat elektriskajos transportlīdzekļos. Bet faktiski nekas tāds nenotika, jo gan superkondensatori, gan akumulatori ir pilnīgi atšķirīgi viens no otra, un tiem ir savas lietojumprogrammas.

Jautrība: gandrīz visu mūsdienu drošības spilvenu kontrolieri darbina ar superkondensatoriem, jo ​​tiem ir ātrs reakcijas laiks, salīdzinot ar baterijām.

Salīdzinot ar akumulatoru, Supercapacitor vai Ultracapacitor ir augsta blīvuma enerģijas avots vai krātuve ar milzīgu kapacitāti īsā laika posmā. Šajā rakstā mēs apspriedīsim Supercapacitor vs Battery (litija / svina skābes) par dažādiem parametriem un noslēgsim ar gadījumu izpēti inženierim, lai saprastu, kur viņa lietojumprogrammām var izvēlēties superkondensatoru virs akumulatora. Ja esat Supercapacitors iesācējs, pirms turpināt darbu, ir ļoti ieteicams apgūt Supercapacitors pamatus.

Jaudas blīvums

Superkondensatoriem ir liels jaudas blīvums nekā tam pašam nominētajam akumulatoram. Lai gan tirgū ir dažāda veida akumulatori, piemēram, litija jonu, polimēru, svina-skābes akumulatoriem ir atšķirīgs jaudas blīvums, sākot no 1000 Wh uz kg līdz 2000 Wh uz kg. Arī vērtējumi var ļoti atšķirties atkarībā no ražošanas procesa. Zemāk esošajā salīdzināšanas diagrammā parādīts Supercapacitor vs Battery jaudas blīvums.

Bet superkondensatora jaudas blīvums svārstās no 2500 Wh uz kg līdz 45000 Wh uz kg. Tas ir daudz lielāks nekā vienas un tās pašas kategorijas akumulatoru jaudas blīvums.

Lielā jaudas blīvuma dēļ superkondensators ir noderīgs enerģijas avots, kur nepieciešama lielāka maksimālā strāva.

Šūnas spriegums

Dažādos pielietojumos bieži vien ieejas spriegums ir liels faktors. Acīmredzot tirgū ir pieejami dažādi sprieguma regulatoru veidi, taču ievades spriegums pāri regulatoram kļuva par nozīmīgu lietojuma daļu. Zemāk redzamajā attēlā parādīts Supercapacitor vs Battery izejas spriegums tam pašam šūnu skaitam.

Piemēram, lietojumam ar lineāru sprieguma regulatoru, piemēram, 7812, nepieciešama vismaz 15 V ieeja. Vienšūnu litija akumulators nodrošina 3,2 voltu zemākā uzlādes stāvoklī un 4,2 voltu pie visaugstākās uzlādes stāvokļa. Tāpēc, lai kompensētu ieejas sprieguma specifikāciju, ir nepieciešami vismaz 5 akumulatori sērijveida savienojumā, bet superkondensators varētu nodrošināt no 2,5 voltu līdz 5,5 voltu izeju. Superkondensatoriem ir augsts šūnu spriegums 5,5 V, salīdzinot ar tipisku litija akumulatoru 3,7 V. Tādējādi, ignorējot citus superkondensatora ierobežojumus, ķēdes dizainers var izvēlēties trīs 5,5 voltu superkondensatorus virknē. Pār akumulatoru tas neapšaubāmi ir superkondensatoru plus punkts kosmosa ierobežojuma situācijās vai izmaksu optimizācija mērķiem.

Efektivitāte

Efektivitātes ziņā superkondensatori ir par 95% efektīvāki nekā akumulatori, kas ir 60–80% efektīvi pilnīgas slodzes apstākļos. Baterijas ar lielu slodzi izkliedē siltumu, kas veicina zemu efektivitāti. Lādēšanas un izlādes laikā jāuzrauga akumulatora temperatūra un citi parametri, izmantojot akumulatora vadības sistēmu (BMS), turpretī superkondensatoros šādas stingras uzraudzības sistēmas varētu nebūt vajadzīgas. No Ultracapacitor efektivitāte vs Akumulators ir parādīts zemāk attēlā. Tomēr jāatzīmē, ka Supercapacitor darbības laikā rada arī nominālo siltumu.

Atkārtota izmantošana un dzīves ilgums

Akumulatora darbības laiks ir ļoti atkarīgs no uzlādes un izlādes cikliem. Litija un svina-skābes akumulatoru gadījumā uzlādes un izlādes laiks ir ierobežots no 300 līdz 500 cikliem, dažreiz tas var būt maksimāli 1000 reizes. Mūža ilgums bez litija bateriju uzlādes un izlādes situācijas var ilgt 7 gadus.

Superkondensatoram gandrīz ir bezgalīgi daudz uzlādes ciklu, to var uzlādēt un izlādēt ļoti daudzas reizes; tas var būt no 1 līdz 1 miljonam laika. Arī superkondensatora dzīves ilgums ir augsts. Supercapacitor var ilgt 10-18 gadus, bet Lead-Acid akumulatoru var ilgt tikai ap 3-5 gadiem.

Izlādes sprieguma koeficients

Akumulators nodrošina relatīvi nemainīgu izejas spriegumu. Bet izlādes apstākļos superkondensatora izejas spriegums samazinās. Tāpēc, lietojot akumulatorus kā strāvas avotu, atkarībā no pielietojuma prasībām var izmantot sprieguma vai pastiprinātāja regulatoru, taču, lietojot superkondensatoru, ir populāra izvēle izmantot plaša diapazona pastiprinātāja pārveidotāju, lai kompensētu ieejas sprieguma zudumus.

Uzlādes laiks

Dažādās baterijās tiek izmantoti dažādi uzlādes algoritmi. Litija jonu akumulatoru uzlādēšanai tiek izmantoti nemainīga sprieguma un pastāvīgas strāvas uzlādes lādētāji. Lādētājs ir īpaši jākonfigurē, lai noteiktu akumulatora uzlādes stāvokli, kā arī temperatūru. Svina-skābes akumulatoru gadījumā tiek izmantota uzlādes metode.

Kopumā, lai uzlādētu akumulatorus neatkarīgi no litija jonu vai svina skābes, pilnīga uzlāde prasa stundas. Supercapacitor ir vakariņas ātri uzlādes laiks; tam ir nepieciešams ļoti īss laika periods, lai iegūtu pilnu uzlādi. Tādēļ lietojumprogrammām, kurās uzlādes laiks ir ļoti mazs, superkondensatori noteikti iegūst tādu pašu akumulatoru jaudu.

Izmaksas

Izmaksas ir svarīgs parametrs ar produktu dizainu saistītos jautājumos. Superkondensatori ir dārga alternatīva, ja tos lieto akumulatoru vietā. Dažreiz izmaksas kļūst ļoti augstas, piemēram, 10 reizes lielākas, salīdzinot ar to pašu akumulatora jaudu.

Riska faktori

Darbības vai uzlādes apstākļos litija vai svina-skābes akumulatoriem nepieciešama īpaša piesardzība vai uzmanība. Īpaši litija jonu akumulatoriem uzlādes topoloģija ir jākonfigurē tā, lai akumulatoru nevajadzētu pārlādēt vai uzlādēt ar lielāku strāvas ietilpību, nekā akumulators faktiski spēj pieņemt. Tas palielina eksplozijas risku ikreiz, kad akumulators tiek uzlādēts vai uzlādēts ar lielu strāvu.

Ne tikai uzlādes stāvoklī, bet arī izlādēšanās laikā akumulatoriem jābūt uzmanīgi darbinātiem. Dziļa izlādes stāvoklis var sabojāt akumulatora darbības laiku. Tāpēc akumulators ir jāatvieno no slodzes pēc tam, kad tas ir sasniedzis noteiktu lādēšanas līmeni. Arī akumulatora īssavienojums ir bīstama situācija.

Superkondensatori ir drošāki par akumulatoriem, ņemot vērā iepriekš minētos riska faktorus. Tomēr superkondensatora uzlāde, izmantojot augstāku spriegumu, nekā tas ir paredzēts, var būt kaitīgs superkondensatoriem. Bet, uzlādējot vairāk nekā vienu kondensatoru, tas var kļūt par sarežģītu darbu.

Gadījuma izpēte

Apsvērsim situāciju, kad mēs vēlamies 1 stundu iedegt 10 paralēlus gaismas diodes. Šajā lietā noskaidrosim, kā inženierim vajadzētu apsvērt iespēju izmantot superkondensatoru vai litija akumulatoru?

Pieņemsim, ka gaismas diodes piesaista 30 mA strāvu pie 2,5 V. Tāpēc 10 LED paralēli būs jauda

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

Tagad, lietojot vienu stundu, kas ir 3600 sekundes, nepieciešamo enerģiju var aprēķināt kā

3600 x 0,75 = 2700 džouli.

Ja ņemam vērā 10F ^2,5 V superkondensatoru, tas var uzglabāt E = 1 / 2CV ^2, kas ir

½ x 10 x 2,5 ² = 31,25 Joules

Tāpēc paralēli tam pašam vērtējumam ir nepieciešami vismaz 85 superkondensatori. Acīmredzot šajā konkrētajā lietojumprogrammā akumulators būs pirmā izvēle. Bet, ja šī lietojumprogramma tiek mainīta uz konkrētu lietojumprogrammu, kurā vienāds enerģijas daudzums ir vajadzīgs tikai 30 sekundes, Supercapacitor var būt izvēle, jo to var uzlādēt ļoti ātri un to var izmantot ļoti ilgu laika periodu.

Secinājums

Iepriekšminētais salīdzinājums tiek veikts tikai starp īpašām baterijām (litija vai svina skābi) ar superkondensatoriem. Tomēr ir dažādas baterijas ar dažādu ķīmisko sastāvu. No otras puses, tirgū ir arī dažādi superkondensatori ar dažādu ķīmisko sastāvu, piemēram, ūdens elektrolītiskais superkondensators vai jonu šķidruma superkondensators, kā arī hibrīdie un organiskie elektrolītiskie superkondensatori. Dažādām kompozīcijām ir atšķirīgas darba īpašības un specifikācijas.

Superkondensatoriem ir daudz vairāk pozitīvu punktu, salīdzinot ar baterijām. Bet tam ir arī negatīvas puses, salīdzinot ar baterijām. Tāpēc superkondensatoru izmantošana ir ļoti atkarīga no pielietojuma veida.