Supercondensatore vs batteria

C'è un lungo dibattito sul fatto che i supercondensatori annulleranno il mercato delle batterie in futuro. Alcuni anni fa, quando sono stati resi disponibili i supercondensatori, c'era un enorme clamore e molti si aspettavano che sostituisse le batterie nei prodotti elettronici commerciali e persino nei veicoli elettrici. Ma non è successo niente del genere, perché sia ​​i supercondensatori che le batterie sono completamente diversi l'uno dall'altro e hanno le loro applicazioni.

Fatto divertente: quasi tutti i moderni controller degli airbag sono alimentati da supercondensatori, a causa del loro tempo di risposta rapido rispetto alle batterie.

Rispetto alla batteria, il supercondensatore o ultracondensatore è una fonte di energia ad alta densità o un accumulatore con un'enorme capacità per un breve periodo di tempo. In questo articolo, discuteremo di supercondensatore vs batteria (litio / piombo acido) su vari parametri e concluderemo con un caso di studio per un ingegnere per capire dove si potrebbe selezionare un supercondensatore su una batteria per le sue applicazioni. Se sei un principiante di Supercondensatori, ti consigliamo vivamente di imparare le basi dei Supercondensatori prima di procedere ulteriormente.

Densità di potenza

I supercondensatori hanno un'alta densità di potenza rispetto alla stessa batteria nominale. Sebbene sul mercato siano presenti diversi tipi di batterie, ad esempio, le batterie agli ioni di litio, ai polimeri e al piombo acido hanno una densità di potenza diversa, da 1000 Wh per kg a 2000 Wh per kg. Le valutazioni possono anche variare molto a seconda del processo di produzione. La tabella di confronto di seguito mostra la densità di potenza del supercondensatore rispetto alla batteria.

Ma, per un supercondensatore, la densità di potenza varia da 2500 Wh per kg a 45000 Wh per kg. È molto più grande della densità di potenza delle stesse batterie nominali.

A causa dell'elevata densità di potenza, un supercondensatore è una fonte di alimentazione utile dove è richiesta una corrente di picco maggiore.

Voltaggio della cella

In diversi tipi di applicazioni, spesso la tensione di ingresso è un fattore importante. Ovviamente, sul mercato sono disponibili diversi tipi di regolatori di tensione, ma la tensione di ingresso attraverso un regolatore è diventata una parte importante dell'applicazione. La figura seguente mostra la tensione di uscita del supercondensatore rispetto alla batteria per lo stesso numero di celle.

Ad esempio, un'applicazione con un regolatore di tensione lineare come 7812 richiede un ingresso di almeno 15 V. Una batteria al litio a cella singola fornisce 3,2 volt alla condizione di carica minima e 4,2 volt alla condizione di carica massima. Pertanto, per compensare la specifica della tensione di ingresso, sono necessarie almeno 5 batterie in collegamento in serie, ma il supercondensatore potrebbe fornire un'uscita da 2,5 volt a 5,5 volt. I supercondensatori hanno un'elevata tensione delle celle di 5,5 V rispetto ai 3,7 V di una tipica batteria al litio. Pertanto, ignorando altre limitazioni di un supercondensatore, il progettista del circuito può scegliere tre supercondensatori da 5,5 volt in serie. Oltre alla batteria, questo è senza dubbio un punto in più dei supercondensatori in situazioni di vincoli di spazio o di ottimizzazione dei costi per scopi.

Efficienza

In termini di efficienza, i supercondensatori sono più efficienti del 95% rispetto alle batterie che sono efficienti del 60-80% a pieno carico. Le batterie ad alto carico dissipano il calore che contribuisce alla bassa efficienza. Inoltre, la temperatura della batteria e altri parametri devono essere monitorati durante la carica e la scarica utilizzando un sistema di gestione della batteria (BMS), mentre nei supercondensatori potrebbero non essere necessari sistemi di monitoraggio così rigorosi. L' efficienza dell'ultracondensatore rispetto alla batteria è mostrata nella figura seguente. Tuttavia, va notato che Supercapacitor genera anche calore nominale durante il funzionamento.

Riusabilità e durata della vita

La durata della batteria dipende molto dai cicli di carica e scarica. Nel caso delle batterie al litio e piombo-acido, i tempi di carica e scarica sono limitati da 300 a 500 cicli, a volte possono essere al massimo 1000 volte. La durata senza la situazione di carica e scarica delle batterie al litio può durare per un periodo di 7 anni.

Un supercondensatore ha quasi infiniti cicli di carica, può essere caricato e scaricato per un numero enorme di volte; può variare da 1 lakh a 1 milione di tempo. Anche la durata di vita di un supercondensatore è elevata. Un supercondensatore può durare per 10-18 anni, mentre una batteria al piombo-acido può durare solo circa 3-5 anni.

Fattore di tensione di scarica

Una batteria fornisce una tensione di uscita relativamente costante. Ma la tensione di uscita di un supercondensatore diminuisce durante le condizioni di scarica. Pertanto, mentre si utilizzano le batterie come fonte di alimentazione, è possibile utilizzare il regolatore buck o boost a seconda dei requisiti dell'applicazione, ma mentre si utilizza un supercondensatore, è una scelta comune utilizzare un convertitore boost ad ampio raggio per compensare la perdita di tensione in ingresso.

Tempo di carica

Batterie diverse utilizzano algoritmi di ricarica diversi. Per caricare le batterie agli ioni di litio vengono utilizzati caricabatterie a tensione costante e corrente costante. Il caricabatterie deve essere appositamente configurato per rilevare lo stato di carica della batteria e la temperatura. Nel caso delle batterie al piombo-acido viene utilizzato il metodo di carica di mantenimento.

Nel complesso, per caricare le batterie indipendentemente dagli ioni di litio o piombo acido, sono necessarie ore per caricarsi completamente. Il supercondensatore ha il tempo di ricarica veloce della cena; richiede un periodo di tempo molto breve per ottenere una carica completa. Pertanto, per le applicazioni in cui è richiesto un tempo di ricarica molto inferiore, i supercondensatori vincono sicuramente sulla stessa capacità delle batterie.

Costo

Il costo è un parametro importante per le questioni relative alla progettazione del prodotto. I supercondensatori sono un'alternativa costosa se usati al posto delle batterie. Il costo a volte diventa molto alto, fino a 10 volte superiore se confrontato con la stessa capacità della batteria.

Fattori di rischio

Le batterie al litio o al piombo richiedono cure o attenzioni speciali durante il funzionamento o le condizioni di carica. Soprattutto per le batterie agli ioni di litio, la topologia di carica deve essere configurata in modo tale che la batteria non debba essere sovraccaricata o caricata con una capacità di corrente superiore a quella che la batteria può effettivamente accettare. Ciò aumenta il rischio di esplosione ogni volta che la batteria viene sovraccaricata o caricata con una corrente elevata.

Non solo in condizioni di carica, ma anche le batterie devono essere utilizzate con attenzione durante le situazioni di scarica. La condizione di scarica profonda potrebbe potenzialmente danneggiare la durata della batteria. Pertanto, la batteria deve essere scollegata dal carico dopo aver raggiunto un certo livello di stato di carica. Inoltre, il cortocircuito di una batteria è una situazione pericolosa.

I supercondensatori sono più sicuri delle batterie in termini di fattori di rischio sopra. Tuttavia, caricare un supercondensatore utilizzando una tensione superiore al suo valore nominale è potenzialmente dannoso per i supercondensatori. Ma quando si carica più di un singolo condensatore, può diventare un lavoro complesso.

Argomento di studio

Consideriamo una situazione in cui vogliamo accendere 10 LED paralleli per 1 ora. Per questa applicazione, scopriamolo, come ingegnere dovremmo considerare l'utilizzo di un supercondensatore o di una batteria al litio?

Supponiamo che i LED assorbano 30 mA di corrente a 2,5 V. Pertanto, la potenza di 10 LED in parallelo sarà

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

Ora, per 1 ora di utilizzo che è di 3600 secondi, l'energia richiesta può essere calcolata come

3600 x 0,75 = 2700 Joule.

Se consideriamo un supercondensatore 10F 2.5V, può immagazzinare E = 1 / 2CV ² che è

½ x 10 x 2,5 ² = 31,25 Joules

Pertanto, sono necessari almeno 85 Supercondensatori in parallelo con la stessa valutazione. Ovviamente in questa specifica applicazione la batteria sarà la prima scelta. Ma se questa applicazione si è trasformata in un'applicazione specifica in cui è richiesta la stessa quantità di potenza solo per 30 secondi, Supercapacitor può essere una scelta in quanto può essere caricato molto velocemente e può essere utilizzato per un periodo di tempo molto lungo.

Conclusione

Il confronto di cui sopra viene effettuato solo tra batterie specifiche (litio o piombo acido) con supercondensatori. Tuttavia, ci sono batterie differenti con differenti composizioni chimiche. D'altra parte, ci sono anche diversi supercondensatori con diverse composizioni chimiche come un supercondensatore elettrolitico acquoso o con un supercondensatore liquido ionico così come supercondensatori elettrolitici ibridi e organici anche sul mercato. Diverse composizioni hanno differenti caratteristiche di lavoro e specifiche.

I supercondensatori hanno punti molto più positivi in ​​termini di applicazione rispetto alle batterie. Ma ha anche lati negativi rispetto alle batterie. Pertanto, gli usi dei supercondensatori sono altamente affidabili dal tipo di applicazione.