קבלים-על מול סוללה

יש ויכוח ארוך לפיו Supercapacitors יכריעו את שוק הסוללות בעתיד. לפני כמה שנים כאשר סופר-קבלים הועמדו לרשותו, היה עליו הייפ עצום ורבים ציפו שהוא יחליף את הסוללות במוצרים אלקטרוניים מסחריים ואפילו ברכבים חשמליים. אבל, שום דבר כזה לא קרה בפועל, מכיוון שגם קבלים-על וגם סוללות שונים לחלוטין זה מזה ויש להם יישומים משלהם.

עובדה מהנה: כמעט כל בקרי כריות האוויר המודרניות מופעלים על ידי קבלים-על, בגלל זמן התגובה המהיר שלהם על סוללות.

בהשוואה לסוללה, Supercapacitor או Ultracapacitor הוא מקור אנרגיה בצפיפות גבוהה או אחסון עם קיבול עצום לטווח זמן קצר. במאמר זה נדון בסופר-קפסיטור לעומת סוללה (ליתיום / חומצה עופרת) על פרמטרים שונים ונסיים במחקר מקרה של מהנדס כדי להבין היכן ניתן לבחור קבלים-על על סוללה עבור היישומים שלו. אם אתה מתחיל בקבלי-על, מומלץ מאוד ללמוד את היסודות של סופ-קבלים לפני שתמשיך הלאה.

צפיפות כוח

קבלים-על הם בעלי צפיפות הספק גבוהה יותר מאותה סוללה מדורגת. למרות שקיימים סוגים שונים של סוללות בשוק, למשל, לסוללות ליתיום-יון, פולימר, חומצה עופרת יש צפיפות הספק שונה, מ -1000 Wh לק"ג ועד 2000 Wh לק"ג. הדירוגים יכולים גם להשתנות מאוד בהתאם לתהליך הייצור. תרשים ההשוואה שלהלן מציג את צפיפות ההספק של Supercapacitor לעומת סוללה.

אבל עבור קבלים-על, צפיפות ההספק נעה בין 2500 Wh לק"ג ל- 45000 Wh לק"ג. זה הרבה יותר גדול מצפיפות ההספק של אותן סוללות מדורגות.

בשל צפיפות ההספק הגבוהה, קבלים-על מהווים מקור כוח שימושי בו נדרש זרם שיא גדול יותר.

מתח תא

בסוגים שונים של יישומים, לעתים קרובות מתח הכניסה הוא גורם גדול. ברור שישנם סוגים שונים של ויסות מתח זמינים בשוק, אך עם זאת, מתח הכניסה על פני הווסת הפך לחלק חשוב ביישום. האיור שלהלן מראה את מתח המוצא של Supercapacitor לעומת סוללה עבור אותו מספר תאים.

לדוגמה, יישום עם וסת מתח ליניארי כמו 7812 דורש כניסה של 15 וולט לפחות. סוללת ליתיום חד תאית מספקת 3.2 וולט במצב הטעינה הנמוך ביותר ו -4.2 וולט במצב הטעינה הגבוה ביותר. לכן, כדי לפצות על פי מפרט מתח הכניסה, נדרשים לפחות 5 סוללות בחיבור סדרתי, אך קבלים-על יכולים לספק 2.5 וולט עד 5.5 וולט. קבלים-על הם בעלי מתח תא גבוה של 5.5 וולט לעומת 3.7 וולט של סוללת ליתיום טיפוסית. לפיכך, בהתעלם ממגבלות אחרות של קבלים- על יכול מעצב המעגלים לבחור שלושה קבלים-על 5.5 וולט בסדרה. מעל הסוללה, זוהי ללא ספק נקודת תוספת של קבלים-על במצבי אילוצי שטח או אופטימיזציה של עלות למטרות.

יְעִילוּת

מבחינת יעילות, קבלים-על יעילים ב -95% מהסוללות היעילות ב-60-80% בתנאי עומס מלא. סוללות בעומס גבוה מפזרות חום התורם ליעילות נמוכה. כמו כן, יש לעקוב אחר טמפרטורת הסוללה ופרמטרים אחרים במהלך הטעינה והפריקה באמצעות מערכת ניהול סוללות (BMS), בעוד שבקבלים-על לא יהיה צורך במערכות ניטור קפדניות כאלה. היעילות של ultracapacitor vs הסוללה מוצגת באיור למטה. עם זאת, יש לציין כי Supercapacitor מייצר גם חום סמלי במהלך הפעולה.

שימוש חוזר ואורך חיים

אורך חיי הסוללה אמין מאוד במחזורי הטעינה והפריקה. במקרה של סוללות ליתיום וחומצה עופרת, זמני הטעינה והפריקה מוגבלים בין 300 ל -500 מחזורים, לפעמים זה יכול להיות מקסימום פי 1000. אורך החיים ללא טעינה ופריקה של סוללות ליתיום יכול להימשך 7 שנים.

בקבל-על יש כמעט מחזורי טעינה אינסופיים, ניתן לטעון ולפרוק אותו מספר עצום של פעמים; זה יכול להיות בין לאק ל -1 מיליון זמן. תוחלת החיים של קבלים-על גם גבוהה. על יכול להימשך 10-18 שנים, בעוד סוללת עופרת-חומצה יכולה להימשך כ 3-5 שנים בלבד.

גורם פריקה מתח

סוללה מספקת מתח מוצא קבוע יחסית. אך מתח המוצא של קולט-על פוחת בתנאי פריקה. לכן, תוך שימוש בסוללות כמקור חשמל, ניתן להשתמש בווסת או בוסט רגולטור בהתאם לדרישות היישום, אך תוך שימוש בקבל-על, זו בחירה פופולרית להשתמש בממיר דחיפה רחב טווח לצורך פיצוי אובדן מתח הכניסה.

זמן טעינה

סוללות שונות משתמשות באלגוריתמי טעינה שונים. לטעינה של סוללות ליתיום-יון משתמשים במתח קבוע ומטענים לטעינה שוטפת קבועה. המטען צריך להיות מוגדר במיוחד כדי לזהות את מצב הטעינה של הסוללה, כמו גם את הטמפרטורה. במקרה של סוללות עופרת חומצה משמש לטעינה לטפטף טפטוף.

באופן כללי, לטעינת סוללות ללא קשר ליתיום-יון או חומצת עופרת, לוקח שעות עד להטענה מלאה. לקבל- העל זמן טעינה מהיר לארוחת ערב; זה צריך פרק זמן קצר מאוד לקבלת תשלום מלא. לכן, עבור יישומים שבהם זמן הטעינה נדרש להיות פחות מאוד, קבלים-על בהחלט מנצחים על אותה קיבולת של סוללות.

עֲלוּת

עלות היא פרמטר חשוב לנושאים הקשורים לעיצוב מוצרים. קבלים-על הם חלופה יקרה בשימוש במקום בסוללות. העלות לפעמים גבוהה מאוד כמו פי 10 בהשוואה לאותה קיבולת של הסוללה.

גורמי סיכון

סוללות ליתיום או חומצה עופרת דורשות טיפול מיוחד או תשומת לב במהלך תנאי הפעלה או טעינה. במיוחד עבור סוללות ליתיום-יון, יש להגדיר את טופולוגיית הטעינה בצורה כזו שאין להטעין את הסוללה או לטעון אותה בקיבולת זרם גבוהה יותר מכפי שהסוללה יכולה לקבל בפועל. זה מגדיל את הסיכון להתפוצצות בכל פעם שהסוללה טעונה יתר על המידה או טעונה זרם גבוה.

לא רק במצב טעינה, אלא גם יש להפעיל את הסוללות בזהירות במהלך מצבי פריקה. מצב פריקה עמוקה עלול לפגוע בחיי הסוללה. לכן, יש לנתק את הסוללה מהעומס לאחר שהיא מגיעה לרמה מסוימת של טעינה. כמו כן, הקצר של סוללה הוא מצב מסוכן.

קבלים-על בטוחים יותר מהסוללות מבחינת גורמי הסיכון שלעיל. עם זאת, טעינת קבלים-על באמצעות מתח גבוה יותר מדירוגו עלולה להזיק לקבלים-העל. אבל, בעת טעינה של יותר מקבל יחיד, זה יכול להפוך לעבודה מורכבת.

מקרה בוחן

בואו ניקח בחשבון מצב בו אנו רוצים להדליק 10 נוריות נוריות מקבילות למשך שעה. ליישום זה, בואו נברר, כמהנדס האם עלינו לשקול להשתמש בסופר-קבלים או בסוללת ליתיום?

נניח שנוריות הנורה שואבות 30mA זרם ב -2.5 וולט. לכן, הספק של 10 נוריות LED במקביל יהיה

2.5V x 0.03 x 10 = 0.75 ואט

כעת, במשך שעה אחת של שימוש שהיא 3600 שניות, ניתן לחשב את האנרגיה הנדרשת

3600 x 0.75 = 2700 ג'ול.

אם ניקח בחשבון 10C 2.5V Supercapacitor, הוא יכול לאחסן E = 1 / 2CV ² שזה

½ x 10 x 2.5 ² = 31.25 ג'אול

לכן, צריך לפחות 85 סופר-קבלים במקביל לאותו דירוג. ברור שביישום הספציפי הזה הסוללה תהיה הבחירה הראשונה. אך אם יישום זה הוחלף ליישום ספציפי שבו נדרשת כמות זהה של כוח רק למשך 30 שניות, Supercapacitor יכול להיות בחירה מכיוון שניתן לטעון אותו במהירות רבה וניתן להשתמש בו לפרק זמן ארוך מאוד.

סיכום

ההשוואה לעיל נעשית רק בין סוללות ספציפיות (ליתיום או חומצה עופרת) עם קבלים-על. עם זאת, ישנם סוללות שונות בעלות הרכב כימי שונה. מאידך, ישנם גם קבלים-על שונים בעלי תרכובות כימיות שונות כמו קבלים- סופר אלקטרוליטיים מימיים או עם קבלים- סופר- קבלים נוזליים יוניים כמו גם קבלים- סופר- קבלים אלקטרוליטיים היברידיים ואורגניים. לקומפוזיציות שונות מאפייני עבודה ומפרט שונים.

למבלי-על יש נקודות חיוביות הרבה יותר מבחינת היישום ואז לסוללות. אבל יש לזה גם צדדים שליליים בהשוואה לסוללות. לכן, השימוש בקבלי-על אמין מאוד על סוג היישום.