Supercondensador vs bateria

Hi ha un llarg debat sobre el fet que els supercondensadors anul·laran el mercat de les bateries en el futur. Fa uns anys, quan es van disposar dels supercondensadors, hi va haver un gran bombo i molts esperaven que substituís les bateries dels productes electrònics comercials i fins i tot dels vehicles elèctrics. Però no va passar res com això, ja que els supercondensadors i les bateries són completament diferents entre si i tenen les seves pròpies aplicacions.

Dades curioses: gairebé tots els controladors de coixins de seguretat moderns funcionen amb supercondensadors, a causa del seu temps de resposta ràpid sobre les bateries.

En comparació amb la bateria, el supercondensador o ultracondensador és una font d’energia o emmagatzematge d’alta densitat amb una gran capacitat durant un curt període de temps. En aquest article, parlarem del supercondensador contra la bateria (liti / àcid de plom) sobre diversos paràmetres i conclourem amb un estudi de cas perquè un enginyer entengui on es podria seleccionar un supercondensador sobre una bateria per a les seves aplicacions. Si sou principiants dels supercondensadors, és molt recomanable aprendre els conceptes bàsics dels supercondensadors abans de continuar.

Densitat de potència

Els supercondensadors tenen una densitat de potència elevada que la mateixa bateria nominal. Tot i que hi ha diferents tipus de bateries al mercat, per exemple, les bateries de liti-ió, polímers i àcid tenen una densitat de potència diferent, des de 1000 Wh per kg fins a 2000 Wh per kg. Les qualificacions també poden variar molt en funció del procés de fabricació. El gràfic de comparació següent mostra la densitat de potència del supercondensador contra la bateria.

Però, per a un supercondensador, la densitat de potència varia de 2500 Wh per kg a 45000 Wh per kg. És molt més gran que la densitat de potència de les mateixes bateries classificades.

A causa de l’alta densitat de potència, un supercondensador és una font d’energia útil on es requereix un corrent màxim més gran.

Tensió cel·lular

En diferents tipus d'aplicacions, sovint la tensió d'entrada és un factor important. Viouslybviament, hi ha diferents tipus de reguladors de tensió disponibles al mercat, però tot i així, la tensió d’entrada d’un regulador es va convertir en una part important de l’aplicació. La figura següent mostra el voltatge de sortida del supercondensador contra la bateria per al mateix nombre de cel·les.

Per exemple, una aplicació amb un regulador de tensió lineal com 7812 requereix almenys una entrada de 15V. Una bateria de liti d’una sola cel·la proporciona 3,2 volts en la condició de càrrega més baixa i 4,2 volts en la condició de càrrega més alta. Per tant, per compensar amb l’especificació del voltatge d’entrada, es necessiten almenys 5 bateries en connexió en sèrie, però el supercondensador podria proporcionar una sortida de 2,5 volts a 5,5 volts. Els supercondensadors tenen un voltatge de cel·la elevat de 5,5 V en comparació amb els 3,7 V d’una bateria de liti típica. Per tant, ignorant altres limitacions d’un supercondensador, el dissenyador de circuits pot triar tres supercondensadors de 5,5 volts en sèrie. Per sobre de la bateria, aquest és, sens dubte, un punt positiu dels supercondensadors en situacions de restricció d’espai o d’optimització de costos.

Eficiència

En termes d’eficiència, els supercondensadors són un 95% més eficients que les bateries, que són del 60-80% en condicions de plena càrrega. Les bateries amb càrrega elevada dissipen la calor que contribueix a una baixa eficiència. A més, la temperatura de la bateria i altres paràmetres s’han de controlar durant la càrrega i descàrrega mitjançant un sistema de gestió de bateries (BMS), mentre que en els supercondensadors potser no serien necessaris sistemes de control tan estrictes. L' eficiència de l'Ultracapacitor contra la bateria es mostra a la figura següent. Tot i això, cal tenir en compte que el supercondensador també genera calor nominal durant el funcionament.

Reutilització i vida útil

La vida útil de la bateria és molt fiable en els cicles de càrrega i descàrrega. En el cas de les bateries de liti i plom àcid, els temps de càrrega i descàrrega estan limitats de 300 a 500 cicles, de vegades pot arribar a ser un màxim de 1000 vegades. La vida útil sense la situació de càrrega i descàrrega de les bateries de liti pot durar 7 anys.

Un supercondensador gairebé té cicles de càrrega infinits, es pot carregar i descarregar un gran nombre de vegades; pot passar d'1 lakh a 1 milió de temps. La vida útil d’un supercondensador també és elevada. Un supercondensador pot durar entre 10 i 18 anys, mentre que una bateria de plom-àcid només pot durar uns 3-5 anys.

Factor de tensió de descàrrega

Una bateria proporciona una tensió de sortida relativament constant. Però la tensió de sortida del supercondensador disminueix durant les condicions de descàrrega. Per tant, mentre s’utilitzen bateries com a font d’energia, es pot utilitzar un regulador Buck o boost segons els requisits de l’aplicació, però mentre s’utilitza un supercondensador, és una opció popular utilitzar un convertidor amplificador d’ampli rang per compensar la pèrdua de tensió d’entrada.

Temps de càrrega

Les diferents bateries utilitzen algoritmes de càrrega diferents. Per carregar les bateries de ions de liti s’utilitzen carregadors de càrrega de voltatge constant i corrent constant. El carregador ha d’estar configurat especialment per detectar l’estat de càrrega de la bateria i la temperatura. En el cas de les bateries de plom-àcid, s’utilitza el mètode de càrrega per degoteig.

En general, per carregar les bateries independentment de l’ió liti o plom-àcid, es necessiten hores per carregar-se completament. El supercondensador té un temps de càrrega ràpid per sopar; necessita un període de temps molt curt per obtenir una càrrega completa. Per tant, per a les aplicacions en què es requereix un temps de càrrega molt inferior, els supercondensadors guanyen definitivament la mateixa capacitat de les bateries.

Cost

El cost és un paràmetre important per als problemes relacionats amb el disseny de productes. Els supercondensadors són una alternativa costosa quan s’utilitzen en lloc de les bateries. De vegades, el cost és molt elevat, com ara 10 vegades superior, si es compara amb la mateixa capacitat de la bateria.

Factors de risc

Les bateries de liti o plom àcid requereixen una cura o atenció especial durant les condicions de funcionament o de càrrega. Especialment per a les bateries de ions de liti, la topologia de càrrega s’ha de configurar de manera que la bateria no es pugui sobrecarregar ni carregar amb una capacitat de corrent superior a la que pot acceptar la bateria. Això augmenta el risc d'explosió cada vegada que la bateria està sobrecarregada o carregada amb un corrent elevat.

No només en condicions de càrrega, sinó que les bateries també s’han d’utilitzar amb cura durant les situacions de descàrrega. Les condicions de descàrrega profunda poden danyar la durada de la bateria. Per tant, cal desconnectar la bateria de la càrrega després d’arribar a un cert nivell d’estat de càrrega. A més, el curtcircuit d’una bateria és una situació perillosa.

Els supercondensadors són més segurs que les bateries pel que fa als factors de risc anteriors. No obstant això, carregar un supercondensador amb una tensió superior a la seva potència és potencialment perjudicial per als supercondensadors. Però, quan es carrega més d’un condensador, pot esdevenir un treball complex.

Cas pràctic

Considerem una situació en què volem encendre 10 LED paral·lels durant 1 hora. Per a aquesta aplicació, comprovem-ho, com a enginyer hauríem de plantejar-nos l’ús d’un supercondensador o bateria de liti?

Suposem que els LED treuen 30 mA de corrent a 2,5 V. Per tant, la potència de 10 LEDs en paral·lel serà

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

Ara, durant 1 hora d’ús, que és de 3600 segons, l’energia necessària es pot calcular com a

3600 x 0,75 = 2700 Joules.

Si considerem un supercondensador 10F 2,5V, pot emmagatzemar E = 1 / 2CV ² que és

½ x 10 x 2,5 ² = 31,25 Juliols

Per tant, es necessiten almenys 85 supercondensadors en paral·lel amb la mateixa qualificació. Viouslybviament en aquesta aplicació específica la bateria serà la primera opció. Però si aquesta aplicació es va convertir en una aplicació específica on només es requereix la mateixa quantitat de potència durant 30 segons, el supercondensador pot ser una elecció, ja que es pot carregar molt ràpidament i es pot utilitzar durant un període de temps molt llarg.

Conclusió

La comparació anterior només es fa entre bateries específiques (liti o àcid de plom) amb supercondensadors. No obstant això, hi ha diferents bateries amb diferents composicions químiques. D’altra banda, també hi ha al mercat diferents supercondensadors amb diferents composicions químiques, com ara un supercondensador electrolític aquós o amb un supercondensador líquid iònic, així com supercondensadors electrolítics híbrids i orgànics. Les diferents composicions tenen característiques i especificacions de treball diferents.

Els supercondensadors tenen molt més punts positius en termes d’aplicació que les bateries. Però també té aspectes negatius en comparació amb les bateries. Per tant, els usos dels supercondensadors són molt fiables del tipus d’aplicació.