ابرخازن در مقایسه با باتری

بحث طولانی در مورد اینکه ابرخازن بازار باتری را در آینده تحت تأثیر قرار خواهد داد وجود دارد. چند سال پیش، زمانی که ابرخازن‌ها در دسترس قرار گرفتند، تبلیغات زیادی در مورد آن به وجود آمد و بسیاری انتظار داشتند که جایگزین باتری‌ها در محصولات الکترونیکی تجاری و حتی خودروهای الکتریکی شود. اما، چنین چیزی در واقع اتفاق نیفتاد، زیرا هم ابرخازن‌ها و هم باتری‌ها کاملاً با یکدیگر متفاوت هستند و کاربردهای خاص خود را دارند.

واقعیت جالب: تقریباً تمام کنترل‌کننده‌های کیسه هوای مدرن به دلیل زمان پاسخگویی سریع آنها روی باتری‌ها، از ابرخازن‌ها تغذیه می‌کنند.

در مقایسه با باتری، ابر خازن یک منبع انرژی با چگالی بالا یا ذخیره‌سازی با ظرفیت خازنی زیاد برای مدت زمان کوتاه است. در این مقاله، ما سوپرخازن در مقابل باتری (لیتیوم / اسید سرب) را بر روی پارامترهای مختلف مورد بحث قرار خواهیم داد و با یک مطالعه موردی برای یک مهندس نتیجه گیری خواهیم کرد تا بفهمد کجا می‌توان ابرخازن را به جای باتری برای کاربردهای خود انتخاب کرد. اگر شما مبتدی به ابر خازن هستید، توصیه می شود قبل از ادامه کار، اصول اولیه ابر خازن را بیاموزید.

تجمع قدرت، تراکم قدرت در ابر خازن

ابرخازن ها چگالی توان بالایی نسبت به باتری های نامی مشابه دارند. اگرچه انواع مختلفی از باتری ها در بازار وجود دارد، به عنوان مثال، باتری های لیتیوم یون، پلیمر، سرب اسید چگالی توان متفاوتی دارند، از 1000 وات ساعت در کیلوگرم تا 2000 وات ساعت در کیلوگرم. رتبه بندی ها نیز بسته به فرآیند تولید می تواند بسیار متفاوت باشد. نمودار مقایسه زیر چگالی توان ابرخازن در مقابل باتری را نشان می دهد.

اما، برای یک ابرخازن، چگالی توان از 2500 وات ساعت بر کیلوگرم تا 45000 وات ساعت بر کیلوگرم متغیر است. این بسیار بزرگتر از چگالی توان باتری های نامی مشابه است. به دلیل چگالی توان بالا، یک ابرخازن منبع انرژی مفیدی است که در آن جریان پیک بیشتری مورد نیاز است.

در انواع مختلف کاربردها، اغلب ولتاژ ورودی عامل بزرگی است. بدیهی است که انواع مختلفی از تنظیم کننده های ولتاژ موجود در بازار وجود دارد، اما هنوز ولتاژ ورودی در یک رگولاتور به بخش مهمی از برنامه تبدیل شده است. شکل زیر ولتاژ خروجی ابرخازن در مقابل باتری را برای همان تعداد سلول نشان می دهد.

به عنوان مثال:

یک برنامه با یک تنظیم کننده ولتاژ خطی مانند 7812 به حداقل ورودی 15 ولت نیاز دارد. یک باتری لیتیومی تک سلولی 3.2 ولت در کمترین شرایط شارژ و 4.2 ولت در بالاترین شرایط شارژ را تامین می کند. بنابراین، برای جبران مشخصات ولتاژ ورودی، حداقل 5 باتری در اتصال سری مورد نیاز است، اما ابرخازن می تواند خروجی 2.5 ولت تا 5.5 ولت را ارائه دهد.

ابرخازن ها دارای ولتاژ سلولی بالای 5.5 ولت در مقایسه با 3.7 ولت باتری لیتیومی معمولی هستند. بنابراین، با نادیده گرفتن سایر محدودیت های یک ابرخازن، طراح مدار می تواند سه ابرخازن 5.5 ولتی را به صورت سری انتخاب کند. بیش از باتری، این بدون شک یک نقطه مثبت ابرخازن در شرایط محدودیت فضا یا بهینه سازی هزینه برای اهداف است.

بهره وری

از نظر کارایی، ابرخازن‌ها 95 درصد کارآمدتر از باتری‌هایی هستند که در شرایط بار کامل 60 تا 80 درصد کارآمد هستند. باتری ها در بار زیاد گرما را از بین می برند که به راندمان پایین کمک می کند. همچنین، دمای باتری و سایر پارامترها باید در طول شارژ و دشارژ با استفاده از سیستم مدیریت باتری (BMS) کنترل شوند، در حالی که در ابرخازن‌ها ممکن است به چنین سیستم‌های نظارتی دقیقی نیاز نباشد. کارایی ابرخازن در مقابل باتری در شکل زیر نشان داده شده است. البته باید توجه داشت که سوپرخازن در حین کار نیز گرمای اسمی تولید می کند.

قابلیت استفاده مجدد و طول عمر

طول عمر باتری به شدت به چرخه های شارژ و دشارژ بستگی دارد. در مورد باتری های لیتیومی و سرب اسید، زمان شارژ و دشارژ از 300 تا 500 سیکل محدود می شود، گاهی اوقات می تواند حداکثر 1000 بار باشد. طول عمر باتری های لیتیومی بدون وضعیت شارژ و دشارژ می تواند تا 7 سال دوام بیاورد.

یک ابرخازن تقریباً دارای چرخه شارژ بی نهایت است، می توان آن را برای تعداد زیادی بار شارژ و تخلیه کرد. می تواند از 1 میلیون تا 1 میلیون زمان باشد. طول عمر یک ابرخازن نیز بالاست. یک ابرخازن می تواند 10-18 سال دوام بیاورد، در حالی که یک باتری سرب اسیدی فقط 3-5 سال دوام می آورد.

ضریب ولتاژ تخلیه

یک باتری ولتاژ خروجی نسبتاً ثابتی را فراهم می کند. اما ولتاژ خروجی ابرخازن در شرایط دشارژ کاهش می یابد. بنابراین، در حین استفاده از باتری ها به عنوان منبع تغذیه، بسته به نیاز برنامه می توان از رگولاتور باک یا بوست استفاده کرد، اما در حین استفاده از ابرخازن، استفاده از مبدل تقویت کننده دامنه وسیع برای جبران تلفات ولتاژ ورودی، انتخاب محبوبی است.

زمان شارژ

با متفاوتتری ها از الگوریتم های شارژ متفاوتی استفاده می کنند. برای شارژ باتری های لیتیوم یونی از شارژرهای شارژ ولتاژ ثابت و جریان ثابت استفاده می شود. شارژر برای تشخیص وضعیت شارژ باتری و همچنین دما باید پیکربندی خاصی داشته باشد. برای باتری های سرب اسیدی از روش شارژ قطره ای استفاده می شود.

به طور کلی، برای شارژ باتری ها صرف نظر از لیتیوم یون یا اسید سرب، ساعت ها طول می کشد تا به طور کامل شارژ شود. ابرخازن دارای زمان شارژ سریع شام است. برای شارژ کامل به مدت زمان بسیار کوتاهی نیاز دارد. بنابراین، برای کاربردهایی که زمان شارژ بسیار کمتر مورد نیاز است، ابرخازن‌ها قطعاً بر همان ظرفیت باتری‌ها پیروز می‌شوند.

هزینه

هزینه یک پارامتر مهم برای مسائل مربوط به طراحی محصول است. ابرخازن ها در صورت استفاده به جای باتری، جایگزینی پرهزینه هستند. در مقایسه با ظرفیت یکسان باتری، گاهی اوقات هزینه آن بسیار زیاد می شود، مثلاً 10 برابر بیشتر.

عوامل خطر

باتری های لیتیومی یا سرب اسیدی نیاز به مراقبت یا توجه ویژه در شرایط کارکرد یا شارژ دارند. مخصوصاً برای باتری‌های لیتیوم یونی، توپولوژی شارژ باید به گونه‌ای پیکربندی شود که باتری نباید بیش از حد شارژ شود یا با ظرفیت جریانی بالاتر از آنچه باتری واقعاً می‌تواند شارژ شود، شارژ شود. این امر خطر انفجار را هر زمان که باتری بیش از حد شارژ شود یا با جریان زیاد شارژ شود، افزایش می دهد.

نه تنها در شرایط شارژ، بلکه باتری ها نیز باید در شرایط تخلیه به دقت کار کنند. شرایط تخلیه عمیق به طور بالقوه می تواند به عمر باتری آسیب برساند. بنابراین، باتری باید پس از رسیدن به سطح مشخصی از حالت شارژ، از بار جدا شود. همچنین اتصال کوتاه باتری یک موقعیت خطرناک است.

ابرخازن ها از نظر عوامل خطر فوق ایمن تر از باتری ها هستند. با این حال، شارژ یک ابرخازن با استفاده از ولتاژ بالاتر از امتیاز آن، به طور بالقوه برای ابرخازن‌ها مضر است. اما، هنگامی که بیش از یک خازن شارژ می شود، می تواند به یک کار پیچیده تبدیل شود.

نتیجه

مقایسه فوق فقط بین باتری های خاص (لیتیوم یا اسید سرب) با ابرخازن انجام می شود. با این حال، باتری های مختلف با ترکیبات شیمیایی متفاوت وجود دارد. از سوی دیگر، ابرخازن های مختلف با ترکیبات شیمیایی مختلف مانند ابرخازن الکترولیتی آبی یا با ابرخازن مایع یونی و همچنین ابرخازن های الکترولیتی هیبریدی و آلی نیز در بازار وجود دارد. ترکیبات مختلف ویژگی ها و مشخصات کاری متفاوتی دارند. ابرخازن ها از نظر کاربرد نکات مثبت تری نسبت به باتری ها دارند. اما در مقایسه با باتری ها جنبه های منفی نیز دارد. بنابراین، استفاده از ابرخازن ها به نوع کاربرد بسیار وابسته است.