Superkondensator vs batteri

Det pågår en lång debatt om att superkondensatorer kommer att åsidosätta batterimarknaden i framtiden. För några år sedan när superkondensatorer gjordes tillgängliga fanns det en enorm hype om det och många förväntade sig att det skulle ersätta batterierna i kommersiella elektroniska produkter och till och med i elfordon. Men ingenting sådant hände faktiskt, för både superkondensatorer och batterier skiljer sig helt från varandra och de har sina egna applikationer.

Rolig fakta: Nästan alla moderna krockkuddsstyrenheter drivs av superkondensatorer på grund av deras snabba svarstid över batterier.

Jämfört med batteriet är Supercapacitor eller Ultracapacitor en energikälla med hög densitet eller lagring med enorm kapacitans under en kort tidsperiod. I den här artikeln kommer vi att diskutera Supercapacitor vs Battery (Lithium / Lead Acid) på olika parametrar och avsluta med en fallstudie för en ingenjör för att förstå var man kan välja en supercapacitor över ett batteri för sina applikationer. Om du är nybörjare i Supercapacitors rekommenderas det starkt att lära dig grunderna i Supercapacitors innan du fortsätter vidare.

Krafttäthet

Superkondensatorer har en hög effekttäthet än samma nominella batteri. Även om det finns olika typer av batterier på marknaden, till exempel, har litiumjon-, polymer-, blysyrabatterier olika effektdensitet, från 1000 Wh per kg till 2000 Wh per kg. Betyg kan också variera mycket beroende på tillverkningsprocessen. Jämförelsediagrammet nedan visar effekttätheten för Supercapacitor vs Battery.

Men för en superkondensator varierar effekttätheten från 2500 Wh per kg till 45000 Wh per kg. Det är mycket större än effekttätheten för samma batterier.

På grund av den höga effekttätheten är en superkondensator en användbar kraftkälla där större toppström krävs.

Cellspänning

I olika typer av applikationer är ingångsspänningen ofta en stor faktor. Uppenbarligen finns det olika typer av spänningsregulatorer tillgängliga på marknaden men ändå blev ingångsspänningen över en regulator en viktig del av applikationen. Figuren nedan visar utgångsspänningen för Supercapacitor vs Battery för samma antal celler.

Till exempel kräver en applikation med en linjär spänningsregulator som 7812 minst 15V ingång. Ett litiumbatteri med en cell ger 3,2 volt vid lägsta laddningsförhållande och 4,2 volt vid högsta laddningsförhållande. För att kompensera med ingångsspänningsspecifikationen krävs därför minst 5 batterier i seriekoppling men superkondensator kan ge 2,5 volt till 5,5 volt utgång. Superkondensatorer har en hög cellspänning på 5,5V jämfört med 3,7V för ett typiskt litiumbatteri. Således ignorerar andra begränsningar hos en superkondensator kan kretsdesignern välja tre 5,5 volt superkondensatorer i serie. Över batteriet är detta utan tvekan en pluspunkt för superkondensatorer i situationer med begränsningar i rymden eller kostnadsoptimering för ändamål.

Effektivitet

När det gäller effektivitet är superkondensatorer 95% effektivare än batterierna som är 60-80% effektiva under full belastning. Batterier i hög belastning släpper ut värme som bidrar till låg effektivitet. Dessutom bör batteritemperatur och andra parametrar övervakas under laddning och urladdning med ett batterihanteringssystem (BMS), medan det i superkondensatorer inte behövs sådana strikta övervakningssystem. Den Effektivitet av ultrakondensator vs batteri visas i nedanstående figur. Det bör dock noteras att Supercapacitor också genererar nominell värme under drift.

Återanvändbarhet och livslängd

Batteriets livslängd är mycket pålitlig på laddnings- och urladdningscyklerna. När det gäller litium- och blybatterier är laddnings- och urladdningstiderna begränsade från 300 till 500 cykler, ibland kan det vara maximalt 1000 gånger. Livslängden utan laddnings- och urladdningssituationer litiumbatterier kan hålla i 7 år.

En superkondensator har nästan oändliga laddningscykler, den kan laddas och urladdas ett stort antal gånger; det kan vara från 1 lakh till 1 miljon tid. Livslängden för en superkondensator är också hög. En superkondensator kan hålla i 10-18 år, medan ett blybatteri bara kan hålla i 3-5 år.

Urladdningsspänningsfaktor

Ett batteri ger en relativt konstant utspänning. Men en superkondensatorutspänning minskar under urladdningsförhållandena. Därför, medan man använder batterier som en strömkälla, kan man använda buck eller boost regulator beroende på applikationskraven, men när man använder en superkondensator är det ett populärt val att använda en boost-omvandlare för att kompensera ingångsspänningen.

Laddningstid

Olika batterier använder olika laddningsalgoritmer. För att ladda litiumjonbatterier används konstant spänning och laddare med konstant strömladdning. Laddaren måste vara särskilt konfigurerad för att upptäcka batteriets laddningstillstånd och temperaturen. När det gäller blybatterier används sippra laddningsmetod.

Sammantaget tar det timmar att ladda batterierna oberoende av litiumjon eller blysyra. Den supercapacitor har kvällsmat snabb laddningstid; det behöver mycket kort tid för att få full laddning. Därför, för applikationer där laddningstiden krävs för att vara mycket kortare, vinner superkondensatorer definitivt samma batterikapacitet.

Kosta

Kostnad är en viktig parameter för produktdesignrelaterade frågor. Superkondensatorer är ett kostsamt alternativ när de används istället för batterier. Kostnaden blir ibland mycket hög, till exempel 10 gånger högre jämfört med samma kapacitet som batteriet.

Riskfaktorer

Litium- eller blybatterier kräver särskild försiktighet eller uppmärksamhet under drift- eller laddningsförhållanden. Speciellt för litiumjonbatterier måste laddningstopologin konfigureras på ett sådant sätt att batteriet inte bör överladdas eller laddas med en högre strömkapacitet än vad batteriet faktiskt kan acceptera. Detta ökar risken för en explosion när batteriet är överladdat eller laddat med hög ström.

Inte bara i laddningsförhållande, utan batterierna måste också användas försiktigt under urladdningssituationer. Djupt urladdningstillstånd kan skada batteriets livslängd. Därför måste batteriet kopplas bort från lasten när det har nått ett visst laddningsnivå. Kortslutning av ett batteri är också en farlig situation.

Superkondensatorer är säkrare än batterierna när det gäller ovanstående riskfaktorer. Att ladda en superkondensator med en högre spänning än dess betyg är dock potentiellt skadlig för superkondensatorerna. Men när du laddar mer än en enda kondensator kan det bli ett komplext jobb.

Fallstudie

Låt oss överväga en situation där vi vill tända 10 parallella lysdioder i 1 timme. Låt oss ta reda på för denna applikation, som ingenjör ska vi överväga att använda en superkondensator eller litiumbatteri?

Låt oss anta att lysdioderna drar 30mA ström vid 2,5V. Därför blir effekten på 10 lysdioder parallellt

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

Nu, för 1 timmars användning som är 3600 sekunder, kan den energi som krävs beräknas som

3600 x 0,75 = 2700 Joule.

Om vi ​​överväger en 10F 2,5V superkondensator kan den lagra E = 1 / 2CV ² vilket är

½ x 10 x 2,5 ² = 31,25 joule

Därför behöver man minst 85 superkondensatorer parallellt med samma betyg. Uppenbarligen i detta specifika program batteri kommer att vara förstahandsvalet. Men om denna applikation ändras till en specifik applikation där samma mängd ström endast krävs i 30 sekunder, kan Supercapacitor vara ett val eftersom det kan laddas mycket snabbt och kan användas under en mycket lång tid.

Slutsats

Ovanstående jämförelse görs endast mellan specifika batterier (litium eller blysyra) med superkondensatorer. Det finns dock olika batterier med olika kemiska sammansättningar. Å andra sidan finns det också olika superkapacitorer med olika kemiska kompositioner, såsom en vattenhaltig elektrolytisk superkapacitor eller med en jonisk flytande superkapacitor såväl som hybrid- och organiska elektrolytiska superkapacitorer också på marknaden. Olika kompositioner har olika arbetsegenskaper och specifikationer.

Superkondensatorer har mycket mer positiva poäng när det gäller applikationen än batterierna. Men det har också negativa sidor jämfört med batterier. Därför är användningen av superkondensatorer mycket beroende av typen av applikation.