Süper kapasitör ve pil

Supercapacitors'ın gelecekte pil piyasasını etkisiz hale getireceği konusunda uzun bir tartışma var. Birkaç yıl önce, Süperkapasitörler piyasaya sürüldüğünde, bu konuda büyük bir aldatmaca vardı ve çoğu, ticari elektronik ürünlerde ve hatta Elektrikli Araçlarda pillerin yerini almasını bekliyordu. Fakat aslında böyle bir şey olmadı çünkü hem Süperkapasitörler hem de Bataryalar birbirinden tamamen farklı ve kendi uygulamaları var.

Eğlenceli Bilgi: Hemen hemen tüm modern hava yastığı denetleyicileri, piller üzerindeki hızlı tepki süreleri nedeniyle süper kapasitörler tarafından çalıştırılır.

Pil ile karşılaştırıldığında, Supercapacitor veya Ultracapacitor, yüksek yoğunluklu bir enerji kaynağı veya kısa bir süre için büyük kapasitanslı bir depolamadır. Bu makalede, Supercapacitor vs Battery (Lityum / Kurşun Asit) çeşitli parametreler üzerinde tartışacağız ve bir mühendisin uygulamaları için bir pil yerine bir süper kapasitörün nerede seçilebileceğini anlamak için bir vaka çalışmasıyla sonuçlandıracağız. Süperkapasitörlere yeni başlayan biriyseniz, devam etmeden önce Süperkapasitörlerin temellerini öğrenmeniz şiddetle tavsiye edilir.

Güç Yoğunluğu

Süper kapasitörler, aynı nominal pilden daha yüksek bir güç yoğunluğuna sahiptir. Piyasada farklı türde piller bulunsa da, örneğin lityum iyon, polimer, kurşun asit piller, kg başına 1000 Wh'den kg başına 2000 Wh'a kadar farklı güç yoğunluğuna sahiptir. Derecelendirmeler ayrıca üretim sürecine bağlı olarak çok değişebilir. Aşağıdaki karşılaştırma tablosu, Süper kapasitör ile Pil arasındaki güç yoğunluğunu göstermektedir.

Ancak, bir süper kapasitör için güç yoğunluğu kg başına 2500 Wh ile kg başına 45000 Wh arasında değişir. Bu, aynı derecelendirilmiş pillerin güç yoğunluğundan çok daha büyüktür.

Yüksek güç yoğunluğu nedeniyle, bir süper kapasitör, daha büyük tepe akımının gerekli olduğu kullanışlı bir güç kaynağıdır.

Hücre voltajı

Farklı türdeki uygulamalarda, genellikle giriş voltajı büyük bir faktördür. Açıktır ki, piyasada farklı türde voltaj regülatörleri mevcuttur, ancak yine de bir regülatördeki giriş voltajı uygulamanın önemli bir parçası haline gelmiştir. Aşağıdaki şekil, aynı sayıda hücre için Süper kapasitör ile Pil arasındaki çıkış voltajını göstermektedir.

Örneğin, 7812 gibi bir doğrusal voltaj regülatörüne sahip bir uygulama, en az 15V giriş gerektirir. Tek hücreli Lityum pil, en düşük şarj durumunda 3,2 volt ve en yüksek şarj durumunda 4,2 volt sağlar. Bu nedenle, giriş voltajı spesifikasyonunu telafi etmek için, seri bağlantıda en az 5 pil gerekir, ancak süper kapasitör 2,5 volt ila 5,5 volt çıkış sağlayabilir. Süper kapasitörler, tipik bir Lityum pilin 3,7V'luk piline kıyasla 5,5V'luk yüksek hücre voltajına sahiptir. Bu nedenle, bir süper kapasitörün diğer sınırlamalarını göz ardı ederek devre tasarımcısı seri olarak üç adet 5.5 voltluk süper kapasitör seçebilir. Batarya üzerinde, bu, şüphesiz, alan kısıtlaması durumlarında veya amaçlar için maliyet optimizasyonunda süper kapasitörlerin artı noktasıdır.

Verimlilik

Verimlilik açısından süper kapasitörler, tam yük koşullarında% 60-80 verimli olan pillere göre % 95 daha verimlidir. Yüksek yükteki piller, düşük verimliliğe katkıda bulunan ısıyı dağıtır. Ayrıca, pil sıcaklığı ve diğer parametreler bir Pil Yönetim Sistemi (BMS) kullanılarak şarj ve deşarj sırasında izlenmelidir; süper kapasitörlerde ise bu tür sıkı izleme sistemlerine ihtiyaç olmayabilir. Pil vs Ultracapacitor etkinliği aşağıdaki şekilde gösterilmiştir. Bununla birlikte, Süper kapasitörün çalışma sırasında da nominal ısı ürettiği unutulmamalıdır.

Yeniden Kullanılabilirlik ve Kullanım Ömrü

Pilin ömrü, şarj etme ve boşaltma döngülerine büyük ölçüde bağlıdır. Lityum ve kurşun asitli pillerde şarj ve deşarj süreleri 300 ila 500 döngü ile sınırlıdır, bazen maksimum 1000 kez olabilir. Lityum pillerin şarj ve deşarj durumu olmadan kullanım ömrü 7 yıl sürebilir.

Bir süper kapasitörün neredeyse sonsuz şarj döngüsü vardır, çok sayıda kez şarj edilebilir ve boşaltılabilir; 1 milyon ile 1 milyon zaman arasında olabilir. Bir süper kapasitörün ömrü de yüksektir. Bir süper kapasitör 10-18 yıl dayanabilirken, Kurşun-Asit pil sadece 3-5 yıl dayanabilir.

Deşarj Gerilim Faktörü

Bir pil, nispeten sabit bir çıkış voltajı sağlar. Ancak deşarj koşulları sırasında süper kapasitör çıkış voltajı azalır. Bu nedenle, pilleri bir güç kaynağı olarak kullanırken, uygulama gereksinimlerine bağlı olarak buck veya boost regülatörü kullanılabilir, ancak bir süper kapasitör kullanırken, giriş voltajı kaybını telafi etmek için geniş aralıklı bir yükseltici dönüştürücü kullanmak popüler bir seçimdir.

Şarj süresi

Farklı piller, farklı şarj algoritmaları kullanır. Lityum iyon pilleri şarj etmek için sabit voltaj ve sabit akım şarj cihazları kullanılır. Şarj cihazının, pilin şarj durumunu ve sıcaklığı algılayacak şekilde özel olarak yapılandırılması gerekir. Kurşun asitli aküler için damlama şarj yöntemi kullanılır.

Genel olarak, lityum iyon veya kurşun asitten bağımsız olarak pilleri şarj etmek için tam olarak şarj olması saatler sürer. Süper kapasitör, süper hızlı şarj süresine sahiptir; tam şarj olması için çok kısa bir süreye ihtiyacı var. Bu nedenle, şarj süresinin çok daha az olması gereken uygulamalarda süper kapasitörler kesinlikle aynı pil kapasitesini kazanır.

Maliyet

Maliyet, ürün tasarımıyla ilgili konularda önemli bir parametredir. Süper kapasitörler, piller yerine kullanıldıklarında maliyetli bir alternatiftir. Maliyet bazen aynı batarya kapasitesiyle kıyaslandığında 10 kat gibi çok yükseliyor.

Risk faktörleri

Lityum veya kurşun asit piller, çalıştırma veya şarj etme koşullarında özel dikkat veya dikkat gerektirir. Özellikle lityum iyon piller için, şarj topolojisinin, pilin aşırı şarj edilmemesi veya pilin gerçekten kabul edebileceğinden daha yüksek bir akım kapasitesi ile şarj edilmemesi için yapılandırılması gerekir. Bu, pil aşırı şarj edildiğinde veya yüksek akımla şarj edildiğinde patlama riskini artırır.

Sadece şarj durumunda değil, aynı zamanda deşarj durumlarında da pillerin dikkatlice çalıştırılması gerekir. Derin deşarj durumu pil ömrüne potansiyel olarak zarar verebilir. Bu nedenle belirli bir şarj durumuna ulaşıldıktan sonra akünün yükten ayrılması gerekir. Ayrıca pilin kısa devresi tehlikeli bir durumdur.

Süper kapasitörler, yukarıdaki risk faktörleri açısından pillerden daha güvenlidir. Bununla birlikte, bir süper kapasitörün derecelendirmesinden daha yüksek bir voltaj kullanarak şarj edilmesi, süper kapasitörler için potansiyel olarak zararlıdır. Ancak, tek bir kapasitörden fazlasını şarj ederken, karmaşık bir iş haline gelebilir.

Vaka Analizi

10 paralel led'i 1 saat boyunca yakmak istediğimiz bir durumu düşünelim. Bu uygulama için, bir mühendis olarak süper kapasitör veya lityum pil kullanmayı düşünmemiz gerektiğini öğrenelim.

LED'lerin 2.5V'de 30mA akım çektiğini varsayalım. Bu nedenle, paralel olarak 10 LED'in watt değeri olacaktır.

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

Artık 3600 saniye olan 1 Saatlik kullanım için gerekli enerji şu şekilde hesaplanabilir:

3600 x 0,75 = 2700 Joule.

Biz 10F 2.5V Supercapacitor dikkat edecek olursak, E 1 / 2CV = saklayabilir ² olan

½ x 10 x 2.5 ² = 31,25 Joule

Bu nedenle, aynı derecelendirmeye paralel olarak en az 85 Süperkapasitör gerekir. Açıkçası bu özel uygulamada pil ilk tercih olacaktır. Ancak bu uygulama, aynı miktarda gücün yalnızca 30 Saniye için gerekli olduğu belirli bir uygulamaya dönüştüyse, çok hızlı şarj edilebildiği ve çok uzun bir süre kullanılabildiği için Süper Kapasitör bir seçim olabilir.

Sonuç

Yukarıdaki karşılaştırma yalnızca süper kapasitörlü belirli piller (lityum veya kurşun asit) arasında yapılır. Bununla birlikte, farklı kimyasal bileşimlere sahip farklı piller vardır. Öte yandan, piyasada sulu elektrolitik süperkapasitör veya iyonik sıvı süper kapasitör gibi farklı kimyasal bileşimlere sahip farklı süperkapasitörler ve ayrıca hibrit ve organik elektrolitik süperkapasitörler de mevcuttur. Farklı bileşimlerin farklı çalışma özellikleri ve özellikleri vardır.

Süper kapasitörler uygulama açısından pillerden çok daha olumlu noktalara sahiptir. Ancak pillere kıyasla olumsuz yönleri de var. Bu nedenle, süper kapasitörlerin kullanımları, uygulama türüne büyük ölçüde bağlıdır.