Superkondensaattori vs akku

Pitkä keskustelu siitä, että superkondensaattorit ohittavat akkumarkkinat tulevaisuudessa. Muutama vuosi sitten, kun superkondensaattoreita tarjottiin saataville, siitä kävi valtava hyökkäys, ja monet odottivat sen korvaavan kaupallisten elektronisten tuotteiden ja jopa sähköajoneuvojen paristot. Mutta mitään sellaista ei todellisuudessa tapahtunut, koska sekä superkondensaattorit että paristot eroavat toisistaan täysin ja niillä on omat sovelluksensa.

Hauska tosiasia: Lähes kaikissa moderneissa turvatyynyjen ohjaimissa on superkondensaattorit, koska niiden vasteaika on nopea paristojen yli.

Akkuun verrattuna superkondensaattori tai ultrakondensaattori on suuren tiheyden energialähde tai varasto, jolla on valtava kapasitanssi lyhyeksi ajaksi. Tässä artikkelissa keskustellaan Supercapacitor vs Battery (litium / lyijyhappo) -parametreista ja päätetään insinöörin tapaustutkimuksella ymmärtämään, mistä voidaan valita superkondensaattori akun sijasta sovelluksilleen. Jos olet aloittelija superkondensaattoreissa, on erittäin suositeltavaa oppia superkondensaattoreiden perusteet ennen kuin jatkat.

Tehon tiheys

Superkondensaattoreilla on suuri virrantiheys kuin samalla nimellisparistolla. Vaikka markkinoilla on erilaisia paristoja, esimerkiksi litiumioni-, polymeeri- ja lyijyakkujen tehotiheys on erilainen, 1000 Wh / kg - 2000 Wh / kg. Arviot voivat myös vaihdella paljon valmistusprosessista riippuen. Alla oleva vertailukaavio näyttää Supercapacitor vs Battery -tehon tiheyden.

Mutta superkondensaattorin tehotiheys vaihtelee välillä 2500 Wh / kg - 45000 Wh / kg. Se on paljon suurempi kuin samojen nimellisparistojen tehotiheys.

Suuren tehotiheyden vuoksi superkondensaattori on hyödyllinen virtalähde, jossa vaaditaan suurempaa huippuvirtaa.

Solun jännite

Erilaisissa sovelluksissa tulojännite on usein suuri tekijä. On selvää, että markkinoilla on erilaisia jännitesäätimiä, mutta silti säätimen tulojännitteestä tuli tärkeä osa sovellusta. Alla olevassa kuvassa näkyy Supercapacitor vs Battery -lähtöjännite samalle solumäärälle.

Esimerkiksi sovellus, jossa on lineaarinen jännitesäädin, kuten 7812, vaatii vähintään 15 V: n tulon. Yhden kennon litiumakku tuottaa 3,2 volttia alhaisimmalla lataustilalla ja 4,2 volttia korkeimmalla lataustilalla. Siksi tulojännitespesifikaation kompensoimiseksi tarvitaan vähintään 5 paristoa sarjayhteydessä, mutta superkondensaattori voisi tuottaa 2,5 - 5,5 voltin lähdön. Superkondensaattoreilla on korkea 5,5 V: n kennojännite verrattuna tyypillisen litiumpariston 3,7 V: iin. Piirisuunnittelija voi siis jättää huomioimatta superkondensaattorin muut rajoitukset sarjaan kolme 5,5 voltin superkondensaattoria. Akun yli tämä on epäilemättä pluskohde superkondensaattoreista tilarajoituksissa tai kustannusten optimoinnissa tarkoituksiin.

Tehokkuus

Tehokkuuden suhteen superkondensaattorit ovat 95% tehokkaampia kuin paristot, jotka ovat 60-80% tehokkaita täydellä kuormituksella. Suurella kuormalla olevat paristot johtavat lämmön heikkenemiseen. Myös akun lämpötilaa ja muita parametreja tulisi seurata latauksen ja purkamisen aikana käyttämällä Battery Management System (BMS) -järjestelmää, kun taas superkondensaattoreissa tällaisia tiukkoja valvontajärjestelmiä ei ehkä tarvita. Tehokkuus ultracapacitor vs Akku on esitetty alla kuviossa. On kuitenkin huomattava, että Supercapacitor tuottaa myös nimellislämpöä käytön aikana.

Uudelleenkäytettävyys ja käyttöikä

Akun käyttöikä on erittäin riippuvainen lataus- ja purkutoiminnoista. Litium- ja lyijyakkujen lataus- ja purkausajat ovat rajoitettuja 300-500 jaksolla, joskus se voi olla enintään 1000 kertaa. Elinikä ilman litiumparistojen lataamista ja purkamista voi kestää 7 vuotta.

Superkondensaattorilla on melkein rajattomat lataussyklit, sitä voidaan ladata ja purkaa valtavan määrän kertoja; se voi olla yhdestä lakista miljoonaan aikaan. Myös superkondensaattorin käyttöikä on pitkä. Supercapacitor voi kestää 10-18 vuosi, kun taas lyijyakku kestää noin 3-5 vuotta vain.

Purkausjännitekerroin

Akku tuottaa suhteellisen vakaan lähtöjännitteen. Mutta superkondensaattorin lähtöjännite pienenee purkautumisolosuhteiden aikana. Siksi paristoja virtalähteenä käytettäessä voidaan käyttää buck- tai boost-säätimiä sovelluksen vaatimuksista riippuen, mutta superkondensaattoria käytettäessä on suosittu valinta käyttää laaja-alaisia tehonmuuntimia tulojännitehäviöiden kompensointiin.

Latausaika

Eri akut käyttävät erilaisia latausalgoritmeja. Litiumioniakkujen lataamiseen käytetään vakiojännitettä ja vakiovirtalaturia. Laturi on erityisesti konfiguroitava tunnistamaan akun lataustila ja lämpötila. Lyijyakkujen tapauksessa käytetään tiputuslatausmenetelmää.

Kaiken kaikkiaan akkujen lataaminen litiumionista tai lyijyhaposta riippumatta kestää täyteen latautumisen. Supercapacitor on ehtoollinen nopea latausaika; se tarvitsee hyvin lyhyen ajan täyden latauksen saamiseksi. Siksi sovelluksissa, joissa latausaikaa vaaditaan hyvin lyhyeksi, superkondensaattorit voittavat ehdottomasti saman kapasiteetin akut.

Kustannus

Kustannukset ovat tärkeä parametri tuotesuunnitteluun liittyvissä asioissa. Superkondensaattorit ovat kallis vaihtoehto, kun niitä käytetään paristojen sijaan. Kustannukset nousevat joskus erittäin korkeiksi, esimerkiksi 10 kertaa korkeammiksi verrattuna akun samaan kapasiteettiin.

Riskitekijät

Litium- tai lyijyakut vaativat erityistä huolellisuutta käyttö- tai latausolosuhteissa. Varsinkin litium-ioniakkujen kohdalla lataustopologia on määritettävä siten, että akkua ei tule ladata tai ladata suuremmalla virralla kuin akku pystyy todella hyväksymään. Tämä lisää räjähdysvaaraa aina, kun akkua ladataan tai ladataan suurella virralla.

Ei vain lataustilassa, vaan akkuja on myös käytettävä huolellisesti purkaustilanteissa. Syvä purkaus voi vahingoittaa akun käyttöikää. Siksi akku on irrotettava kuormasta, kun se on saavutettu tietyn tason lataustilaan. Myös akun oikosulku on vaarallinen tilanne.

Superkondensaattorit ovat paristoja turvallisempia edellä mainittujen riskitekijöiden kannalta. Superkondensaattorin lataaminen sen nimellisarvoa suuremmalla jännitteellä voi kuitenkin olla haitallista superkondensaattoreille. Mutta kun lataat enemmän kuin yhtä kondensaattoria, siitä voi tulla monimutkainen työ.

Tapaustutkimus

Tarkastellaan tilannetta, jossa haluamme sytyttää 10 rinnakkaista LEDiä yhden tunnin ajan. Tälle sovellukselle selvitetään, pitäisikö insinöörinä harkita superkondensaattorin tai litiumpariston käyttöä?

Oletetaan, että LEDit vetävät 30 mA virtaa 2,5 V: n jännitteellä. Siksi 10 LEDin samanaikainen teho on

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

Nyt yhden käyttötunnin ajan, joka on 3600 sekuntia, tarvittava energia voidaan laskea seuraavasti

3600 x 0,75 = 2700 joulea.

Jos tarkastellaan 10F 2,5 V: n superkondensaattoria, se voi tallentaa E = 1 / 2CV ^2, joka on

½ x 10 x 2,5 ² = 31,25 Joulea

Siksi tarvitaan vähintään 85 superkondensaattoria samanaikaisesti saman luokituksen kanssa. Ilmeisesti tässä erityisessä sovelluksessa akku on ensimmäinen valinta. Mutta jos tämä sovellus muuttuu tietyksi sovellukseksi, jossa tarvitaan yhtä paljon virtaa vain 30 sekunniksi, Supercapacitor voi olla valinta, koska sitä voidaan ladata erittäin nopeasti ja sitä voidaan käyttää hyvin pitkään.

Johtopäätös

Yllä oleva vertailu tehdään vain tiettyjen paristojen (litium- tai lyijyhappo) välillä superkondensaattoreilla. On kuitenkin olemassa erilaisia paristoja, joilla on erilainen kemiallinen koostumus. Toisaalta markkinoilla on myös erilaisia superkondensaattoreita, joilla on erilaiset kemialliset koostumukset, kuten vesipitoinen elektrolyyttinen superkondensaattori tai ionisella nestemäisellä superkondensaattorilla, sekä hybridi- ja orgaanisia elektrolyyttisiä superkondensaattoreita. Eri koostumuksilla on erilaiset työskentelyominaisuudet ja eritelmät.

Superkondensaattoreilla on paljon enemmän positiivisia pisteitä sovelluksen suhteen kuin paristoilla. Mutta sillä on myös negatiivisia puolia verrattuna paristoihin. Siksi superkondensaattoreiden käyttö on erittäin luotettavaa sovellustyypistä.