Supercondensator versus batterij

Er is een lange discussie dat supercondensatoren de batterijmarkt in de toekomst zullen overrulen. Een paar jaar geleden, toen supercondensatoren beschikbaar kwamen, was er een enorme hype over en velen verwachtten dat het de batterijen in commerciële elektronische producten en zelfs in elektrische voertuigen zou vervangen. Maar zoiets gebeurde eigenlijk niet, want zowel supercondensatoren als batterijen zijn totaal verschillend van elkaar en hebben hun eigen toepassingen.

Leuk weetje: bijna alle moderne airbagcontrollers worden aangedreven door supercondensatoren, vanwege hun snelle responstijd op batterijen.

In vergelijking met de batterij is de Supercapacitor of Ultracapacitor een energiebron met hoge dichtheid of opslag met een enorme capaciteit voor een korte tijdspanne. In dit artikel bespreken we supercondensator versus batterij (lithium / loodzuur) op verschillende parameters en sluiten we af met een casestudy voor een ingenieur om te begrijpen waar men een supercondensator boven een batterij kan selecteren voor zijn toepassingen. Als u een beginneling bent van supercondensatoren, wordt het ten zeerste aanbevolen om de basisprincipes van supercondensatoren te leren voordat u verder gaat.

Vermogensdichtheid

Supercondensatoren hebben een hoge vermogensdichtheid dan dezelfde nominale batterij. Hoewel er verschillende soorten batterijen op de markt zijn, hebben lithium-ion-, polymeer- en loodzuurbatterijen bijvoorbeeld een verschillende vermogensdichtheid, van 1000 Wh per kg tot 2000 Wh per kg. De beoordelingen kunnen ook erg variëren, afhankelijk van het fabricageproces. De onderstaande vergelijkingstabel toont de vermogensdichtheid van Supercapacitor versus batterij.

Maar voor een supercondensator varieert de vermogensdichtheid van 2500 Wh per kg tot 45000 Wh per kg. Dat is veel groter dan de vermogensdichtheid van dezelfde nominale batterijen.

Vanwege de hoge vermogensdichtheid is een supercondensator een nuttige stroombron waar een grotere piekstroom vereist is.

Celspanning

Bij verschillende soorten toepassingen is vaak de ingangsspanning een grote factor. Er zijn natuurlijk verschillende soorten spanningsregelaars op de markt, maar toch werd de ingangsspanning over een regelaar een belangrijk onderdeel van de toepassing. De onderstaande afbeelding toont de uitgangsspanning van Supercapacitor versus batterij voor hetzelfde aantal cellen.

Een toepassing met een lineaire spanningsregelaar zoals 7812 vereist bijvoorbeeld minimaal 15V-invoer. Een eencellige lithiumbatterij levert 3,2 volt bij de laagste laadconditie en 4,2 volt bij de hoogste laadconditie. Om te compenseren met de specificatie van de ingangsspanning zijn daarom ten minste 5 batterijen in serieschakeling vereist, maar de supercondensator kan een uitvoer van 2,5 volt tot 5,5 volt leveren. Supercondensatoren hebben een hoge celspanning van 5,5 V vergeleken met 3,7 V van een typische lithiumbatterij. Dus, andere beperkingen van een supercondensator negerend, kan de circuitontwerper drie supercondensatoren van 5,5 volt in serie kiezen. Boven de batterij is dit ongetwijfeld een pluspunt van supercondensatoren in situaties met beperkte ruimte of kostenoptimalisatie voor doeleinden.

Efficiëntie

In termen van efficiëntie zijn supercondensatoren 95% efficiënter dan de batterijen die 60-80% efficiënt zijn onder volledige belasting. Accu's met een hoge belasting voeren warmte af die bijdraagt ​​aan een laag rendement. Ook moeten de accutemperatuur en andere parameters tijdens het laden en ontladen worden bewaakt met behulp van een Battery Management System (BMS), terwijl bij supercondensatoren dergelijke strikte controlesystemen wellicht niet nodig zijn. De efficiëntie van Ultracapacitor versus batterij wordt weergegeven in de onderstaande afbeelding. Er moet echter worden opgemerkt dat Supercapacitor ook nominale warmte genereert tijdens bedrijf.

Herbruikbaarheid en levensduur

De levensduur van de batterij is in hoge mate afhankelijk van de laad- en ontlaadcycli. In het geval van lithium- en loodzuuraccu's zijn de laad- en ontlaadtijden beperkt van 300 tot 500 cycli, soms maximaal 1000 keer. De levensduur zonder de oplaad- en ontlaadsituatie lithiumbatterijen kunnen 7 jaar meegaan.

Een supercondensator heeft bijna oneindige laadcycli, hij kan een groot aantal keren worden opgeladen en ontladen; het kan van 1 lakh tot 1 miljoen tijd zijn. De levensduur van een supercondensator is ook hoog. Een supercondensator kan 10-18 jaar meegaan, terwijl een loodzuurbatterij slechts ongeveer 3-5 jaar meegaat.

Ontladingsspanningsfactor

Een accu levert een relatief constante uitgangsspanning. Maar de uitgangsspanning van een supercondensator neemt af tijdens het ontladen. Daarom kan men bij het gebruik van batterijen als stroombron een buck- of boostregelaar gebruiken, afhankelijk van de toepassingsvereisten, maar bij gebruik van een supercondensator is het een populaire keuze om een ​​boost-omzetter met groot bereik te gebruiken om het ingangsspanningsverlies te compenseren.

Oplaadtijd

Verschillende batterijen gebruiken verschillende oplaadalgoritmen. Voor het opladen van lithium-ionbatterijen worden constante spanning en constante stroomopladers gebruikt. De oplader moet speciaal worden geconfigureerd om de laadtoestand van de batterij en de temperatuur te detecteren. Voor loodzuuraccu's wordt druppelladen gebruikt.

Over het algemeen duurt het uren om batterijen volledig op te laden, ongeacht het lithium-ion of loodzuur. De supercondensator heeft een snelle oplaadtijd voor het avondeten; het heeft een zeer korte tijd nodig om volledig op te laden. Daarom winnen supercondensatoren zeker voor dezelfde capaciteit van batterijen voor de toepassingen waarbij de laadtijd zeer kort moet zijn.

Kosten

De kostprijs is een belangrijke parameter voor kwesties die verband houden met productontwerp. Supercondensatoren zijn een duur alternatief wanneer ze worden gebruikt in plaats van batterijen. De kosten worden soms erg hoog, zoals 10 keer hoger in vergelijking met dezelfde capaciteit van de batterij.

Risicofactoren

Lithium- of loodzuuraccu's vereisen speciale zorg of aandacht tijdens gebruik of opladen. Vooral bij lithium-ionbatterijen moet de laadtopologie zo worden geconfigureerd dat de batterij niet overladen of opgeladen mag worden met een hogere capaciteit dan de batterij daadwerkelijk kan opnemen. Dit verhoogt het risico op een explosie wanneer de batterij wordt overladen of geladen met een hoge stroomsterkte.

Niet alleen in oplaadconditie, maar ook tijdens ontladingssituaties moeten de accu's zorgvuldig worden bediend. Een diepe ontlading kan de levensduur van de batterij mogelijk schaden. Daarom moet de accu worden losgekoppeld van de belasting nadat deze een bepaald niveau van laadtoestand heeft bereikt. Ook is de kortsluiting van een batterij een gevaarlijke situatie.

Supercondensatoren zijn veiliger dan de batterijen in termen van de bovengenoemde risicofactoren. Het opladen van een supercondensator met een hogere spanning dan de nominale waarde is echter mogelijk schadelijk voor de supercondensatoren. Maar wanneer u meer dan één condensator oplaadt, kan het een complexe klus worden.

Casestudy

Laten we eens kijken naar een situatie waarin we 10 parallelle LED's gedurende 1 uur willen laten branden. Laten we voor deze toepassing eens kijken of we als ingenieur moeten overwegen om een ​​supercondensator of lithiumbatterij te gebruiken?

Laten we aannemen dat de LED's 30 mA stroom trekken bij 2,5 V. Daarom zal het wattage van 10 LED's parallel zijn

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

Nu, voor 1 uur gebruik, wat 3600 seconden is, kan de benodigde energie worden berekend als

3600 x 0,75 = 2700 joule.

Als we een 10F 2.5V Supercapacitor beschouwen, kan deze E = 1 / 2CV ² opslaan, dat wil zeggen

½ x 10 x 2,5 ² = 31,25 Joule

Daarom heeft men minstens 85 supercondensatoren nodig die parallel lopen met dezelfde classificatie. Uiteraard zal in deze specifieke toepassing batterij de eerste keuze zijn. Maar als deze applicatie verandert in een specifieke applicatie waarbij dezelfde hoeveelheid stroom slechts 30 seconden nodig is, kan Supercapacitor een keuze zijn, omdat deze zeer snel kan worden opgeladen en gedurende een zeer lange periode kan worden gebruikt.

Conclusie

De bovenstaande vergelijking wordt alleen gedaan tussen specifieke batterijen (lithium of loodzuur) met supercondensatoren. Er zijn echter verschillende batterijen met verschillende chemische samenstellingen. Aan de andere kant zijn er ook verschillende supercondensatoren met verschillende chemische samenstellingen, zoals een waterige elektrolytische supercondensator of met een ionische vloeibare supercondensator, evenals hybride en organische elektrolytische supercondensatoren op de markt. Verschillende samenstellingen hebben verschillende werkeigenschappen en specificaties.

Supercondensatoren hebben veel meer positieve punten qua toepassing dan de batterijen. Maar het heeft ook negatieve kanten in vergelijking met batterijen. Daarom is het gebruik van supercondensatoren in hoge mate afhankelijk van het type toepassing.