Fórum

Porovnanie batérie a superkondenzátora - čo majú spoločné a v čom sú rozdielne

Porovnanie batérie a superkondenzátora - čo majú spoločné a v čom sú rozdielne
Elektrolab Pridal  Elektrolab
  240 zobrazení
2
 0
Komponenty

Je viac než pravdepodobné, že superkondenzátory v budúcnosti prekonajú trh s batériami. Pred niekoľkými rokmi, keď boli superkondenzátory sprístupnené, došlo k obrovskému humbuku a mnohí očakávali, že čoskoro nahradia batérie v komerčných elektronických výrobkoch a dokonca aj v elektrických vozidlách. Ale nič také sa v skutočnosti nestalo, pretože Superkondenzátory a aj Batérie sa navzájom úplne líšia a majú svoješpecifiká pre nasadenie v rozličných aplikáciách.

Vedeli ste? Takmer všetky moderné ovládače airbagov sú napájané superkondenzátormi kvôli ich rýchlej dobe odozvy.

V porovnaní s batériou je Superkondenzátor alebo Ultracapacitor zdrojom energie s vysokou hustotou alebo úložiskom s obrovskou kapacitou na krátke časové obdobie. V tomto článku sa budem zaoberať superkondenzátorom a batériou o rôznych parametroch a na záver uvediem prípadovú štúdiu pre konštruktéra, ktorý pochopí, kde by bolo vhodnejšie pre jeho aplikácie zvoliť superkondenzátor nad batériou. Ak ste nováčikmi v Superkondenzátoroch, potom sa dôrazne odporúča osvojiť si základy Superkondenzátorov skôr, ako budete pokračovať ďalej.

Energetická hustota

Superkondenzátor má oveľa vyššiu energetickú hustotu ako batéria s rovnakou hodnotou. Aj keď sú na trhu rôzne druhy batérií, napríklad lítium-iónové, polymérové ​​a olovené batérie majú rôznu hustotu výkonu od 1 000 Wh na kg do 2 000 Wh na kg. Hodnotenia sa tiež môžu veľmi líšiť v závislosti od výrobného procesu. Porovnávacia tabuľka nižšie zobrazuje hustotu výkonu pre superkondenzátor v porovnaní s batériou.

Ale pre superkondenzátor sa hustota výkonu pohybuje od 2 500 Wh na kg do 45 000 Wh na kg. To je oveľa väčšie ako hustota výkonu tých istých batérií.

Vďaka vysokej hustote energie je superkondenzátor užitočným zdrojom energie v aplikáciách, kde sa vyžaduje väčší špičkový prúd.

Napätie článku

V rôznych druhoch aplikácií je často veľkým faktorom vstupné napätie. Je zrejmé, že na trhu existujú rôzne druhy regulátorov napätia, ale vstupné napätie cez regulátor sa stále stalo dôležitou súčasťou aplikácie. Na nasledujúcom obrázku je zobrazené výstupné napätie superkondenzátor v porovnaní s batériou pre rovnaký počet článkov.

Napríklad aplikácia s lineárnym regulátorom napätia ako 7812 vyžaduje vstup najmenej 15 V. Jednočlánková lítiová batéria poskytuje 3,2 voltu pri najnižšom stave nabitia a 4,2 voltu pri najvyššom stave nabitia. Preto je na vyrovnanie so špecifikáciou vstupného napätia potrebných najmenej 5 batérií zapojených do série, ale superkondenzátor by mohol poskytnúť výstup 2,5 voltu až 5,5 voltu. Superkondenzátory majú vysoké napätie článkov 5,5 V v porovnaní s 3,7 V typickej lítiovej batérie. Teda, ignorujúc ďalšie obmedzenia superkondenzátora, môže návrhár obvodov zvoliť tri superkondenzátory 5,5 voltov v sérii. Cez batériu je to nepochybne plusový bod superkondenzátorov v situáciách obmedzeného priestoru alebo optimalizácie nákladov na účely.

Účinnosť

Pokiaľ ide o účinnosť, superkondenzátory sú o 95% účinnejšie ako batérie, ktoré sú 60-80% účinné pri plnom zaťažení. Batérie s vysokým zaťažením produkujú teplo, čo prispieva k ich pomerne nízkej účinnosti. Počas nabíjania a vybíjania by sa mala preto monitorovať aj teplota batérie a ďalšie parametre pomocou systému správy batérií (BMS), zatiaľ čo v prípade superkondenzátorov nemusia byť také prísne monitorovacie systémy potrebné. Účinnosť Ultracapacitora v porovnaní s batériami je uvedená na nasledujúcom obrázku. Je však potrebné poznamenať, že superkondenzátor počas svojej prevádzky vytvára aj nominálne teplo.

Opätovná použiteľnosť a životnosť

Životnosť batérie je veľmi závislá od cyklov nabíjania a vybíjania. V prípade lítiových a olovených batérií je doba nabíjania a vybíjania obmedzená od 300 do 500 cyklov, no niekedy to môže byť až 1000-krát. Životnosť lítiových batérií bez nabíjania a vybíjania môže byť až 7 rokov.

Superkondenzátor má takmer nekonečné nabíjacie cykly, dá sa nabíjať a vybíjať mnohokrát, čo môže to byť od 1 až do 1 milióna jeho požití. Rovnako vysoká je aj životnosť superkondenzátora. Superkondenzátor vydrží 10 - 18 rokov, zatiaľ čo olovená batéria vydrží iba 3 - 5 rokov.

Faktor vybíjacieho napätia

Batéria poskytuje relatívne konštantné výstupné napätie. Ale výstupné napätie superkondenzátora klesá počas vybíjania. Preto pri použití batérií ako zdroja energie možno použiť buck alebo boost regulátor v závislosti na požiadavkách aplikácie, ale pri použití superkondenzátora je populárnou voľbou použitie širokopásmového zosilňovača na kompenzáciu straty vstupného napätia.

Doba nabíjania

Rôzne batérie používajú rôzne nabíjacie algoritmy. Na nabíjanie lítium-iónových batérií sa používajú nabíjačky s konštantným napätím a nabíjaním konštantným prúdom. Nabíjačka musí byť špeciálne nakonfigurovaná na detekciu stavu nabitia batérie a teploty. V prípade olovených batérií sa používa metóda udržovacieho nabíjania.

Celkove nabitie batérií bez ohľadu na lítium-iónové alebo olovnato.kyselinové trvá úplné nabitie hodiny. Superkondenzátor má čas rýchleho nabitia relatívne veľmi rýchly na úplné nabitie je potrebných len niekoľko minút, či desiatok minút, čo je úmerné jeho kapacite. Preto pre aplikácie, kde je vyžadovaná doba nabíjania oveľa kratšia, superkondenzátory rozhodne zvíťazia nad rovnakou kapacitou batérií.

Náklady

Cena je dôležitým parametrom pre problémy spojené s dizajnom produktu. Superkondenzátory sú nákladnou alternatívou, ak sa používajú namiesto batérií. Cena je niekedy veľmi vysoká, napríklad 10-krát vyššia v porovnaní s rovnakou kapacitou batérie.

Rizikové faktory

Lítiové alebo olovené batérie vyžadujú počas prevádzky alebo nabíjania osobitnú starostlivosť. Najmä pre lítium-iónové batérie je potrebné nakonfigurovať nabíjaciu topológiu takým spôsobom, aby batéria nemohla byť prebíjaná alebo nabíjaná vyššou prúdovou kapacitou, ako je kapacita batérie v skutočnosti prijateľná. To zvyšuje riziko výbuchu vždy, keď je batéria prebitá alebo nabitá vysokým prúdom.

Nielen v stave nabíjania, ale aj pri vybíjaní je potrebné batérie opatrne používať. Podmienky hlbokého vybitia by mohli potenciálne poškodiť životnosť batérie. Preto je potrebné po dosiahnutí určitej úrovne nabíjania odpojiť batériu od záťaže. Nebezpečnou situáciou je aj skrat batérie.

Z hľadiska vyššie uvedených rizikových faktorov sú superkondenzátory bezpečnejšie ako batérie. Nabíjanie superkondenzátora pomocou vyššieho napätia, ako je jeho výkon, je však pre superkondenzátory potenciálne škodlivé. Pri nabíjaní viac ako jedného kondenzátora sa to však môže stať zložitou úlohou.

Prípadová štúdia

Uvažujme o situácii, keď chceme na 1 hodinu rozsvietiť 10 paralelných LED diód. Pre túto aplikáciu zistíme, zistíme, či by sme mali zvážiť použitie superkondenzátora alebo lítiovej batérie.

Predpokladajme, že LED diódy odoberajú 30mA prúdu pri 2,5V. Preto bude príkon 10 LED paralelne:

2.5V x 0.03 x 10 = 0.75 Watt

Teraz je možné za 1 hodinu používania, čo je 3 600 sekúnd, vypočítať požadovanú energiu ako:

3600 x 0.75 = 2700 Joulov

Ak vezmeme do úvahy 10F 2,5 V superkondenzátor, môže uložiť E = 1 / 2CV2, čo je:

½ x 10 x 2.52 =​ 31.25 Joulov

Preto potrebujeme minimálne 85 superkondenzátorov paralelne s rovnakým hodnotením. Je zrejmé, že v tejto konkrétnej aplikácii bude batéria prvou voľbou. Ale ak sa táto aplikácia zmenila, kde je potrebné rovnaké množstvo energie iba po dobu 30 sekúnd, môže byť superkondenzátor vhodnejšou voľbou, pretože sa dá nabíjať veľmi rýchlo a dá sa používať veľmi dlho.

Záver

Vyššie uvedené porovnanie sa vykonáva iba medzi konkrétnymi batériami (lítium alebo olovená) so superkondenzátormi. Existujú však rôzne batérie s rôznym chemickým zložením. Na druhej strane sú na trhu tiež rôzne superkondenzátory s rôznymi chemickými zloženiami, ako napríklad vodný elektrolytický superkondenzátor alebo s iónovým kvapalným superkondenzátorom, ako aj hybridné a organické elektrolytické superkondenzátory. Rôzne zloženie má rôzne pracovné vlastnosti a technické parametre.

Superkondenzátory majú oveľa pozitívnejšie body z hľadiska aplikácie, ako batérie. V porovnaní s batériami má však aj negatívne stránky. Preto je použitie superkondenzátorov veľmi závislé od typu aplikácie.

Become a Patron!



Páčil sa Vám článok? Pridajte k nemu hodnotenie
 

     

Komentáre k článku

Zatiaľ nebol pridaný žiadny komentár. Pridáte prvý? Za obsah komentárov je zodpovedný užívateľ, nie prevádzkovateľ týchto stránok.
Pre komentovanie sa musíte prihlásiť.
Webwiki ButtonSeo servis Diallix.net VN-Experimenty Hatiar.eu