Superkondensator gegen Batterie

Es gibt eine lange Debatte darüber, dass Superkondensatoren den Batteriemarkt in Zukunft außer Kraft setzen werden. Vor ein paar Jahren, als Superkondensatoren zur Verfügung gestellt wurden, gab es einen großen Hype und viele erwarteten, dass sie die Batterien in kommerziellen elektronischen Produkten und sogar in Elektrofahrzeugen ersetzen würden. Aber nichts dergleichen ist tatsächlich passiert, da sowohl Superkondensatoren als auch Batterien völlig unterschiedlich sind und ihre eigenen Anwendungen haben.

Fun Fact: Fast alle modernen Airbag-Steuerungen werden aufgrund ihrer schnellen Reaktionszeit über Batterien von Superkondensatoren angetrieben.

Im Vergleich zur Batterie ist der Superkondensator oder Ultrakondensator eine Energiequelle oder ein Speicher mit hoher Dichte und großer Kapazität für kurze Zeit. In diesem Artikel werden wir Superkondensator gegen Batterie (Lithium / Blei-Säure) zu verschiedenen Parametern diskutieren und mit einer Fallstudie abschließen, damit ein Ingenieur versteht, wo man für seine Anwendungen einen Superkondensator anstelle einer Batterie auswählen kann. Wenn Sie ein Neuling bei Superkondensatoren sind, wird dringend empfohlen, die Grundlagen von Superkondensatoren zu erlernen, bevor Sie fortfahren.

Leistungsdichte

Superkondensatoren haben eine hohe Leistungsdichte als die gleiche Batterie. Obwohl es auf dem Markt verschiedene Arten von Batterien gibt, haben beispielsweise Lithium-Ionen-, Polymer- und Blei-Säure-Batterien eine unterschiedliche Leistungsdichte von 1000 Wh pro kg bis 2000 Wh pro kg. Die Bewertungen können auch je nach Herstellungsprozess stark variieren. Die folgende Vergleichstabelle zeigt die Leistungsdichte von Superkondensator gegenüber Batterie.

Bei einem Superkondensator variiert die Leistungsdichte jedoch zwischen 2500 Wh pro kg und 45000 Wh pro kg. Das ist viel größer als die Leistungsdichte der gleichen Nennbatterien.

Aufgrund der hohen Leistungsdichte ist ein Superkondensator eine nützliche Stromquelle, bei der ein größerer Spitzenstrom erforderlich ist.

Zellenspannung

Bei verschiedenen Arten von Anwendungen ist häufig die Eingangsspannung ein großer Faktor. Natürlich gibt es auf dem Markt verschiedene Arten von Spannungsreglern, aber dennoch wurde die Eingangsspannung an einem Regler ein wichtiger Bestandteil der Anwendung. Die folgende Abbildung zeigt die Ausgangsspannung des Superkondensators gegenüber der Batterie für die gleiche Anzahl von Zellen.

Beispielsweise erfordert eine Anwendung mit einem linearen Spannungsregler wie 7812 einen Eingang von mindestens 15 V. Eine Einzelzellen-Lithiumbatterie liefert 3,2 Volt bei niedrigster Ladebedingung und 4,2 Volt bei höchster Ladebedingung. Um dies mit der Eingangsspannungsspezifikation zu kompensieren, sind mindestens 5 Batterien in Reihenschaltung erforderlich, aber der Superkondensator könnte einen Ausgang von 2,5 Volt bis 5,5 Volt liefern. Superkondensatoren haben eine hohe Zellenspannung von 5,5 V im Vergleich zu 3,7 V einer typischen Lithiumbatterie. Ohne Berücksichtigung anderer Einschränkungen eines Superkondensators kann der Schaltungsentwickler drei 5,5-Volt-Superkondensatoren in Reihe wählen. Über die Batterie ist dies zweifellos ein Pluspunkt von Superkondensatoren in Situationen mit beengten Platzverhältnissen oder bei der Kostenoptimierung für Zwecke.

Effizienz

In Bezug auf den Wirkungsgrad sind Superkondensatoren 95% effizienter als Batterien, die unter Volllastbedingungen 60-80% effizient sind. Batterien mit hoher Last geben Wärme ab, die zu einem geringen Wirkungsgrad beiträgt. Außerdem sollten die Batterietemperatur und andere Parameter während des Ladens und Entladens mit einem Batteriemanagementsystem (BMS) überwacht werden, während bei Superkondensatoren solche strengen Überwachungssysteme möglicherweise nicht erforderlich sind. Die Effizienz des Ultrakondensators gegenüber der Batterie ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Es ist jedoch zu beachten, dass der Superkondensator während des Betriebs auch Nennwärme erzeugt.

Wiederverwendbarkeit und Lebensdauer

Die Lebensdauer des Akkus hängt in hohem Maße von den Lade- und Entladezyklen ab. Bei Lithium- und Blei-Säure-Batterien sind die Lade- und Entladezeiten auf 300 bis 500 Zyklen begrenzt, manchmal können sie maximal 1000 Mal betragen. Die Lebensdauer ohne Lade- und Entladesituation von Lithiumbatterien kann 7 Jahre betragen.

Ein Superkondensator hat fast unendlich viele Ladezyklen. Er kann sehr oft geladen und entladen werden. es kann von 1 lakh bis 1 Million Zeit sein. Die Lebensdauer eines Superkondensators ist ebenfalls hoch. Ein Superkondensator kann 10 bis 18 Jahre halten, während eine Blei-Säure-Batterie nur etwa 3 bis 5 Jahre halten kann.

Entladungsspannungsfaktor

Eine Batterie liefert eine relativ konstante Ausgangsspannung. Eine Superkondensator-Ausgangsspannung nimmt jedoch während der Entladebedingungen ab. Daher kann bei Verwendung von Batterien als Stromquelle je nach Anwendungsanforderungen ein Buck- oder Boost-Regler verwendet werden. Bei Verwendung eines Superkondensators ist es jedoch eine beliebte Wahl, einen Weitbereichs-Aufwärtswandler zur Kompensation des Eingangsspannungsverlusts zu verwenden.

Ladezeit

Unterschiedliche Batterien verwenden unterschiedliche Ladealgorithmen. Zum Laden von Lithium-Ionen-Akkus werden Ladegeräte mit konstanter Spannung und konstantem Strom verwendet. Das Ladegerät muss speziell konfiguriert werden, um den Ladezustand des Akkus sowie die Temperatur zu erfassen. Für den Fall von Blei-Säure-Batterien wird eine Erhaltungslademethode verwendet.

Insgesamt dauert das Aufladen von Batterien unabhängig von Lithium-Ionen oder Blei-Säure Stunden, bis sie vollständig aufgeladen sind. Der Superkondensator hat eine schnelle Ladezeit für das Abendessen. Es dauert sehr kurze Zeit, um eine vollständige Ladung zu erhalten. Daher gewinnen Superkondensatoren für Anwendungen, bei denen die Ladezeit sehr gering sein muss, definitiv die gleiche Kapazität von Batterien.

Kosten

Die Kosten sind ein wichtiger Parameter für Probleme im Zusammenhang mit dem Produktdesign. Superkondensatoren sind eine kostspielige Alternative, wenn sie anstelle von Batterien verwendet werden. Die Kosten werden manchmal sehr hoch, beispielsweise zehnmal höher als bei gleicher Kapazität des Akkus.

Risikofaktoren

Lithium- oder Blei-Säure-Batterien erfordern besondere Sorgfalt oder Aufmerksamkeit während der Betriebs- oder Ladebedingungen. Insbesondere bei Lithium-Ionen-Batterien muss die Ladetopologie so konfiguriert werden, dass die Batterie nicht überladen oder mit einer höheren Stromkapazität geladen wird, als die Batterie tatsächlich aufnehmen kann. Dies erhöht die Explosionsgefahr, wenn der Akku überladen oder mit hohem Strom aufgeladen wird.

Nicht nur im Ladezustand, sondern die Batterien müssen auch in Entladesituationen sorgfältig betrieben werden. Ein Tiefentladungszustand kann möglicherweise die Batterielebensdauer beeinträchtigen. Daher muss der Akku nach Erreichen eines bestimmten Ladezustands von der Last getrennt werden. Auch der Kurzschluss einer Batterie ist eine gefährliche Situation.

Superkondensatoren sind in Bezug auf die oben genannten Risikofaktoren sicherer als die Batterien. Das Laden eines Superkondensators mit einer höheren Spannung als seiner Nennleistung ist jedoch möglicherweise schädlich für die Superkondensatoren. Wenn jedoch mehr als ein Kondensator geladen wird, kann dies zu einer komplexen Aufgabe werden.

Fallstudie

Betrachten wir eine Situation, in der 10 parallele LEDs 1 Stunde lang aufleuchten sollen. Lassen Sie uns für diese Anwendung herausfinden, ob wir als Ingenieur die Verwendung eines Superkondensators oder einer Lithiumbatterie in Betracht ziehen sollten.

Nehmen wir an, die LEDs ziehen 30 mA Strom bei 2,5 V. Daher beträgt die Leistung von 10 LEDs parallel

2,5 V × 0,03 × 10 = 0,75 Watt

Für eine Betriebsstunde von 3600 Sekunden kann der Energiebedarf als berechnet werden

3600 x 0,75 = 2700 Joule.

Wenn wir ein 10F 2.5V Supercapacitor betrachten, kann es speichern E = 1 / 2CV ², das ist

½ x 10 x 2,5 ² = 31,25 Joules

Daher benötigt man mindestens 85 Superkondensatoren parallel zur gleichen Leistung. Offensichtlich ist in dieser speziellen Anwendung die Batterie die erste Wahl. Wenn diese Anwendung jedoch in eine bestimmte Anwendung geändert wird, bei der nur 30 Sekunden lang dieselbe Leistung benötigt wird, kann der Superkondensator ausgewählt werden, da er sehr schnell aufgeladen und über einen sehr langen Zeitraum verwendet werden kann.

Fazit

Der obige Vergleich wird nur zwischen bestimmten Batterien (Lithium oder Blei-Säure) mit Superkondensatoren durchgeführt. Es gibt jedoch unterschiedliche Batterien mit unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen. Andererseits gibt es auch verschiedene Superkondensatoren mit unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen wie einen wässrigen Elektrolyt-Superkondensator oder mit einem ionischen flüssigen Superkondensator sowie hybride und organische Elektrolyt-Superkondensatoren auf dem Markt. Unterschiedliche Zusammensetzungen haben unterschiedliche Arbeitseigenschaften und Spezifikationen.

Superkondensatoren haben in Bezug auf die Anwendung viel mehr positive Punkte als die Batterien. Aber es hat auch negative Seiten im Vergleich zu Batterien. Daher ist die Verwendung von Superkondensatoren in hohem Maße von der Art der Anwendung abhängig.