Суперконденсаторы vs аккумуляторы
Уже давно ведутся споры о том, что в будущем суперконденсаторы (ионисторы) будут доминировать на рынке аккумуляторов. Несколько лет назад, когда суперконденсаторы стали доступны в продаже, вокруг них была огромная шумиха, и многие ожидали, что они заменят аккумуляторы в коммерческих электронных продуктах и даже в электромобилях. Но на самом деле ничего подобного не произошло, потому что и суперконденсаторы, и аккумуляторы полностью отличаются друг от друга, и у них есть свои области применения.
По сравнению с аккумулятором суперконденсатор или ультраконденсатор представляет собой источник энергии высокой плотности или хранилище с огромной емкостью, который хранит энергию в течение относительно короткого промежутка времени. В данной статье мы рассмотрим суперконденсатор и аккумулятор (литиевый/свинцово-кислотный) по различным параметрам, чтобы инженер мог понять, где можно применить суперконденсатор вместо аккумулятора для своих приложений.
Удельная мощность (плотность энергии)
Суперконденсаторы имеют более высокую удельную мощность, чем аккумуляторы того же номинала. Хотя на рынке есть разные виды аккумуляторов, например, литий-ионные, полимерные, свинцово-кислотные аккумуляторы имеют разную удельную мощность, от 1000 Втч на кг до 2000 Втч на кг. Данные параметры также могут сильно различаться в зависимости от производственного процесса. Следующая сравнительная диаграмма показывает удельную мощность суперконденсатора и аккумулятора.
Но для суперконденсатора удельная мощность варьируется от 2500 Втч на кг до 45000 Втч на кг. Это намного больше, чем удельная мощность аккумуляторов того же номинала. Из-за высокой плотности мощности суперконденсатор является полезным источником питания, где требуется больший пиковый ток.
Напряжение элемента
В различных приложениях входное напряжение часто является важным фактором. Очевидно, что на рынке доступны различные типы стабилизаторов напряжения, но тем не менее входное напряжение на стабилизаторе является важным параметром системы. На следующем рисунке показано выходное напряжение суперконденсатора по сравнению с аккумулятором для одного и того же количества элементов.
Например, система с линейным регулятором напряжения, таким как 7812, требует входного напряжения не менее 15 В. Одноэлементная перезаряжаемая литиевая батарея обеспечивает 3,2 В при минимальном уровне заряда и 4,2 В при максимальном уровне заряда. Следовательно, чтобы компенсировать спецификацию входного напряжения, требуется как минимум 5 подобных элементов, соединенных последовательно, но суперконденсатор может обеспечить выходное напряжение от 2,5 до 5,5 вольт. Суперконденсаторы имеют высокое напряжение элемента 5,5 В по сравнению с 3,7 В типичной литиевой батареи. Таким образом, игнорируя другие ограничения суперконденсатора, разработчик схемы может выбрать последовательно три суперконденсатора на 5,5 В. По сравнению с аккумулятором это, несомненно, плюс суперконденсаторов в ситуациях с ограниченным пространством или оптимизации затрат.
КПД
С точки зрения КПД, суперконденсаторы на более эффективны (95%), чем батареи, КПД которых составляет 60-80% в условиях полной нагрузки. Аккумуляторы при высокой нагрузке рассеивают тепло, что способствует низкой эффективности. Кроме того, температура батареи и другие параметры должны контролироваться во время зарядки и разрядки с помощью системы управления батареями (BMS), тогда как в суперконденсаторах такие строгие системы контроля могут не понадобиться. КПД суперконденсатора по сравнению с аккумулятором показана на следующем рисунке. Однако следует отметить, что суперконденсатор также выделяет номинальное тепло во время работы.
Возможность повторного использования и срок службы
Срок службы аккумулятора сильно зависит от циклов зарядки и разрядки. В случае с литиевыми и свинцово-кислотными аккумуляторами время зарядки и разрядки ограничено от 300 до 500 циклов, иногда может достигать максимум 1000 раз. Срок службы литиевых батарей без зарядки и разрядки может составлять 7 лет. Суперконденсатор имеет почти бесконечные циклы заряда, его можно заряжать и разряжать огромное количество раз; это может быть от 1 лакха до 1 миллиона раз. Срок службы суперконденсатора также высок. Суперконденсатор может работать 10-18 лет, а свинцово-кислотная батарея может прослужить всего около 3-5 лет.
Коэффициент разрядного напряжения
Аккумулятор обеспечивает относительно постоянное выходное напряжение. Но выходное напряжение суперконденсатора уменьшается в условиях разрядки. Следовательно, при использовании аккумуляторов в качестве источника питания можно использовать понижающий или повышающий стабилизатор в зависимости от требований приложения, но при использовании суперконденсатора популярным выбором является использование повышающего преобразователя с широким диапазоном для компенсации потери входного напряжения.
Время зарядки
Разные аккумуляторы используют разные алгоритмы зарядки. Для зарядки литий-ионных аккумуляторов используются зарядные устройства постоянного напряжения и постоянного тока. Зарядное устройство должно быть специально настроено для определения состояния заряда аккумулятора, а также температуры. Для свинцово-кислотных аккумуляторов используется метод подзарядки. В целом, для полной зарядки аккумуляторов, независимо от того, литий-ионные они или свинцово-кислотные, требуется несколько часов. Суперконденсатор имеет очень быстрое время зарядки, для полной зарядки требуется очень короткий период времени. Таким образом, для приложений, где требуется очень меньшее время заряда, суперконденсаторы определенно выигрывают по сравнению с аккумуляторами той же емкости.
Стоимость
Стоимость является важным параметром для вопросов, связанных с дизайном продукта. Суперконденсаторы являются дорогостоящей альтернативой при использовании вместо аккумуляторов. Стоимость иногда становится очень высокой, например, в 10 раз выше по сравнению с той же емкостью аккумулятора.
Фактор риска
Литиевые или свинцово-кислотные аккумуляторы требуют особого ухода или внимания во время эксплуатации или зарядки. В частности, для литий-ионных аккумуляторов топология зарядки должна быть настроена таким образом, чтобы аккумулятор не был перезаряжен или заряжался током большей мощности, чем аккумулятор может фактически принять. Это увеличивает риск взрыва всякий раз, когда аккумулятор перезаряжается или заряжается большим током. Аккумуляторы требуют осторожного обращения не только в состоянии зарядки, но и во время разрядки. Состояние глубокого разряда потенциально может сократить срок службы аккумулятора. Поэтому аккумулятор необходимо отключать от нагрузки после достижения определенного уровня заряда. Также опасной ситуацией является короткое замыкание аккумулятора. Суперконденсаторы безопаснее батарей с точки зрения вышеуказанных факторов риска. Однако зарядка суперконденсатора с использованием более высокого напряжения, чем его номинал, потенциально опасна для суперконденсаторов. Но при зарядке более одного конденсатора это может стать сложной задачей.
Выводы
Приведенное выше сравнение проводится только между конкретными аккумуляторами (литиевыми или свинцово-кислотными) с суперконденсаторами. Однако существуют разные аккумуляторы с разным химическим составом. С другой стороны, на рынке также существуют различные суперконденсаторы с различным химическим составом, такие как водный электролитический суперконденсатор или суперконденсатор с ионной жидкостью, а также гибридные и органические электролитические суперконденсаторы. Различные составы имеют разные рабочие характеристики. Суперконденсаторы имеют гораздо больше положительных сторон с точки зрения применения, чем аккумуляторы. Но, у него есть и отрицательные стороны по сравнению с аккумуляторами. Таким образом, использование суперконденсаторов сильно зависит от типа приложения.
© digitrode.ru