Supercapacitor เทียบกับแบตเตอรี่

มีการถกเถียงกันมานานว่า Supercapacitors จะเข้ามาแทนที่ตลาดแบตเตอรี่ในอนาคต ไม่กี่ปีที่ผ่านมาเมื่อมี Supercapacitors มีโฆษณามากมายและหลายคนคาดว่าจะเปลี่ยนแบตเตอรี่ในผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์เชิงพาณิชย์และแม้แต่ในรถยนต์ไฟฟ้า แต่ไม่มีอะไรเกิดขึ้นจริงเพราะทั้ง Supercapacitors และ Batteries นั้นแตกต่างกันอย่างสิ้นเชิงและมีแอพพลิเคชั่นของตัวเอง

เรื่องน่ารู้:ตัวควบคุมถุงลมนิรภัยที่ทันสมัยเกือบทั้งหมดใช้พลังงานจาก supercapacitors เนื่องจากเวลาตอบสนองที่รวดเร็วมากกว่าแบตเตอรี่

เมื่อเปรียบเทียบกับแบตเตอรี่แล้ว Supercapacitor หรือ Ultracapacitor เป็นแหล่งพลังงานความหนาแน่นสูงหรือที่เก็บข้อมูลที่มีความจุขนาดใหญ่ในช่วงเวลาสั้น ๆ ในบทความนี้เราจะพูดถึงSupercapacitor vs Battery (Lithium / Lead Acid) เกี่ยวกับพารามิเตอร์ต่างๆและสรุปด้วยกรณีศึกษาเพื่อให้วิศวกรเข้าใจว่าจะเลือก supercapacitor บนแบตเตอรี่สำหรับการใช้งานของเขาได้อย่างไร หากคุณเป็นมือใหม่ในการใช้ Supercapacitors ขอแนะนำอย่างยิ่งให้เรียนรู้พื้นฐานของ Supercapacitors ก่อนดำเนินการต่อ

ความหนาแน่นของพลังงาน

ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์มีความหนาแน่นของพลังงานสูงกว่าแบตเตอรี่อันดับเดียวกัน แม้ว่าจะมีแบตเตอรี่หลายชนิดในตลาดเช่นแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนโพลีเมอร์ตะกั่วกรดมีความหนาแน่นของพลังงานที่แตกต่างกันตั้งแต่ 1,000 Wh ต่อกก. ถึง 2000 Wh ต่อกก. การให้คะแนนอาจแตกต่างกันได้มากขึ้นอยู่กับกระบวนการผลิต การเปรียบเทียบตารางด้านล่างแสดงให้เห็นความหนาแน่นของพลังงานของ supercapacitor เทียบกับแบตเตอรี่

แต่สำหรับซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ความหนาแน่นของพลังงานจะแตกต่างกันไปตั้งแต่ 2500 Wh ต่อกก. ถึง 45000 Wh ต่อกก. ซึ่งมีขนาดใหญ่กว่าความหนาแน่นของพลังงานของแบตเตอรี่ระดับเดียวกันมาก

เนื่องจากความหนาแน่นของพลังงานสูงซูเปอร์คาปาซิเตอร์จึงเป็นแหล่งพลังงานที่มีประโยชน์ซึ่งต้องใช้กระแสไฟฟ้าสูงสุดที่มากขึ้น

แรงดันไฟฟ้าของเซลล์

ในการใช้งานประเภทต่างๆแรงดันไฟฟ้าขาเข้ามักเป็นปัจจัยสำคัญ เห็นได้ชัดว่ามีตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าหลายชนิดที่มีอยู่ในตลาด แต่ถึงกระนั้นแรงดันไฟฟ้าขาเข้าในตัวควบคุมก็กลายเป็นส่วนสำคัญของแอปพลิเคชัน รูปด้านล่างแสดงแรงดันขาออกของ Supercapacitor vs Batteryสำหรับเซลล์จำนวนเท่ากัน

ตัวอย่างเช่นแอปพลิเคชันที่มีตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าเชิงเส้นเช่น 7812 ต้องการอินพุตอย่างน้อย 15V แบตเตอรี่ลิเธียมเซลล์เดียวให้ 3.2 โวลต์ที่สภาวะประจุไฟฟ้าต่ำสุดและ 4.2 โวลต์ที่สภาวะประจุสูงสุด ดังนั้นเพื่อชดเชยกับข้อกำหนดแรงดันไฟฟ้าอินพุตจำเป็นต้องใช้แบตเตอรี่อย่างน้อย 5 ก้อนในการเชื่อมต่อแบบอนุกรม แต่ตัวเก็บประจุซุปเปอร์สามารถให้เอาต์พุต 2.5 โวลต์ถึง 5.5 โวลต์ ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์มีแรงดันไฟฟ้าของเซลล์สูง 5.5V เมื่อเทียบกับ 3.7V ของแบตเตอรี่ลิเธียมทั่วไป ดังนั้นการเพิกเฉยต่อข้อ จำกัดอื่น ๆของ supercapacitorผู้ออกแบบวงจรจึงสามารถเลือก supercapacitors ขนาด 5.5 โวลต์ได้สามชุด สำหรับแบตเตอรี่นี่เป็นจุดบวกของ supercapacitors อย่างไม่ต้องสงสัยในสถานการณ์ที่ จำกัด พื้นที่หรือการเพิ่มประสิทธิภาพต้นทุนสำหรับวัตถุประสงค์

ประสิทธิภาพ

ในแง่ของประสิทธิภาพsupercapacitors มีประสิทธิภาพมากกว่าแบตเตอรี่ถึง95%ซึ่งมีประสิทธิภาพ 60-80% ภายใต้สภาวะโหลดเต็ม แบตเตอรี่ที่มีภาระงานสูงจะกระจายความร้อนซึ่งก่อให้เกิดประสิทธิภาพต่ำ นอกจากนี้ควรตรวจสอบอุณหภูมิของแบตเตอรี่และพารามิเตอร์อื่น ๆ ในระหว่างการชาร์จและการคายประจุโดยใช้ระบบการจัดการแบตเตอรี่ (BMS) ในขณะที่ในตัวเก็บประจุซุปเปอร์คาปาซิเตอร์อาจไม่จำเป็นต้องใช้ระบบตรวจสอบที่เข้มงวด ประสิทธิภาพของ Ultracapacitor VS แบตเตอรี่จะแสดงในรูปด้านล่าง อย่างไรก็ตามควรสังเกตว่า Supercapacitor ยังสร้างความร้อนเล็กน้อยระหว่างการทำงาน

การนำกลับมาใช้ใหม่และอายุการใช้งาน

อายุการใช้งานของแบตเตอรี่ขึ้นอยู่กับรอบการชาร์จและการคายประจุ ในกรณีของแบตเตอรี่ลิเธียมและตะกั่วกรดเวลาในการชาร์จและการคายประจุจะถูก จำกัด ไว้ที่ 300 ถึง 500 รอบบางครั้งอาจสูงสุด 1,000 ครั้ง อายุการใช้งานที่ไม่มีแบตเตอรี่ลิเธียมในสถานการณ์การชาร์จและการคายประจุสามารถอยู่ได้นานถึง 7 ปี

ซูเปอร์คาปาซิเตอร์เกือบจะมีรอบการชาร์จที่ไม่สิ้นสุดสามารถชาร์จและคายประจุได้เป็นจำนวนมาก อาจมีตั้งแต่ 1 แสนถึง 1 ล้านครั้ง อายุการใช้งานของ supercapacitor ก็สูงเช่นกัน supercapacitor สามารถมีอายุการใช้งาน 10-18 ปีในขณะที่แบตเตอรี่ตะกั่วกรดสามารถมีอายุการใช้รอบ 3-5 ปีเท่านั้น

Discharge Voltage Factor

แบตเตอรี่ให้แรงดันเอาต์พุตที่ค่อนข้างคงที่ แต่แรงดัน output supercapacitor ลดลงในสภาวะการปฏิบัติ ดังนั้นในขณะที่ใช้แบตเตอรี่เป็นแหล่งพลังงานเราสามารถใช้บัคหรือบูสต์เรกูเลเตอร์ได้ขึ้นอยู่กับความต้องการของแอพพลิเคชั่น แต่ในขณะที่ใช้ซูเปอร์คาปาซิเตอร์ก็เป็นตัวเลือกยอดนิยมในการใช้ตัวแปลงบูสต์ช่วงกว้างเพื่อชดเชยการสูญเสียแรงดันไฟฟ้าอินพุต

เวลาในการชาร์จ

แบตเตอรี่ที่แตกต่างกันใช้อัลกอริธึมการชาร์จที่แตกต่างกัน ในการชาร์จแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจะใช้เครื่องชาร์จแบบแรงดันคงที่และกระแสคงที่ เครื่องชาร์จต้องได้รับการกำหนดค่าเป็นพิเศษเพื่อตรวจจับสภาพการชาร์จของแบตเตอรี่ตลอดจนอุณหภูมิ สำหรับกรณีของแบตเตอรี่ตะกั่วกรดจะใช้วิธีการชาร์จแบบหยด

โดยรวมแล้วในการชาร์จแบตเตอรี่โดยไม่คำนึงถึงลิเธียมไอออนหรือกรดตะกั่วจะใช้เวลาหลายชั่วโมงในการชาร์จจนเต็ม supercapacitor ได้อาหารมื้อเย็นได้อย่างรวดเร็วเวลาในการชาร์จ; ต้องใช้เวลาสั้นมากในการชาร์จเต็ม ดังนั้นสำหรับแอปพลิเคชั่นที่ต้องใช้เวลาในการชาร์จน้อยมาก supercapacitors จะชนะมากกว่าแบตเตอรี่ที่มีความจุเท่ากัน

ค่าใช้จ่าย

ต้นทุนเป็นตัวแปรสำคัญสำหรับปัญหาที่เกี่ยวข้องกับการออกแบบผลิตภัณฑ์ ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์เป็นทางเลือกที่มีราคาแพงเมื่อใช้แทนแบตเตอรี่ บางครั้งค่าใช้จ่ายจะสูงมากเช่นสูงกว่า 10 เท่าเมื่อเทียบกับความจุของแบตเตอรี่

ปัจจัยเสี่ยง

แบตเตอรี่ลิเธียมหรือตะกั่วกรดต้องการการดูแลหรือเอาใจใส่เป็นพิเศษในระหว่างการใช้งานหรือการชาร์จ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนต้องมีการกำหนดค่าโทโพโลยีการชาร์จในลักษณะที่ไม่ควรชาร์จแบตเตอรี่มากเกินไปหรือชาร์จด้วยความจุกระแสไฟฟ้าที่สูงเกินกว่าที่แบตเตอรี่จะรับได้จริง ซึ่งจะเพิ่มความเสี่ยงของการระเบิดเมื่อใดก็ตามที่ชาร์จแบตเตอรี่เกินหรือชาร์จด้วยกระแสไฟฟ้าสูง

ไม่เพียง แต่อยู่ในสภาพการชาร์จเท่านั้น แต่แบตเตอรี่ยังต้องใช้งานอย่างระมัดระวังในระหว่างสถานการณ์การคายประจุ สภาพการคายประจุที่ลึกอาจทำให้อายุการใช้งานแบตเตอรี่เสียหายได้ ดังนั้นจึงต้องถอดแบตเตอรี่ออกจากโหลดหลังจากที่ชาร์จถึงระดับหนึ่งแล้ว นอกจากนี้การลัดวงจรของแบตเตอรี่ยังเป็นสถานการณ์ที่อันตราย

ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ปลอดภัยกว่าแบตเตอรี่ในแง่ของปัจจัยเสี่ยงข้างต้น อย่างไรก็ตามการชาร์จซูเปอร์คาปาซิเตอร์โดยใช้แรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่าพิกัดอาจเป็นอันตรายต่อซูเปอร์คาปาซิเตอร์ แต่เมื่อชาร์จตัวเก็บประจุมากกว่าตัวเดียวก็อาจกลายเป็นงานที่ซับซ้อนได้

กรณีศึกษา

ลองพิจารณาสถานการณ์ที่เราต้องการให้ไฟ LED คู่ขนาน 10 ดวงเป็นเวลา 1 ชั่วโมง สำหรับแอปพลิเคชันนี้เรามาดูกันว่าในฐานะวิศวกรเราควรพิจารณาใช้ตัวเก็บประจุแบบซุปเปอร์คาปาซิเตอร์หรือแบตเตอรี่ลิเธียมหรือไม่?

สมมติว่าไฟ LED ดึงกระแส 30mA ที่ 2.5V ดังนั้นกำลังไฟของ LED 10 ดวงขนานกันจะเป็น

2.5V x 0.03 x 10 = 0.75 วัตต์

ตอนนี้สำหรับการใช้งาน 1 ชั่วโมงซึ่งเป็น 3600 วินาทีพลังงานที่ต้องการสามารถคำนวณได้เป็น

3600 x 0.75 = 2700 จูล

ถ้าเราพิจารณา Supercapacitor 10F 2.5V มันสามารถเก็บ E = 1 / 2CV ²ซึ่งเป็น

½ x 10 x 2.5 ² = 31.25 จูล

ดังนั้นเราต้องมี Supercapacitors อย่างน้อย 85 ตัวควบคู่ไปกับการให้คะแนนเดียวกัน เห็นได้ชัดว่าในแบตเตอรี่แอปพลิเคชันเฉพาะนี้จะเป็นตัวเลือกแรก แต่หากแอปพลิเคชันนี้เปลี่ยนเป็นแอปพลิเคชันเฉพาะที่ต้องใช้พลังงานในปริมาณเท่ากันเพียง 30 วินาที Supercapacitor อาจเป็นทางเลือกเนื่องจากสามารถชาร์จได้เร็วมากและสามารถใช้งานได้เป็นเวลานาน

สรุป

การเปรียบเทียบข้างต้นทำได้เฉพาะระหว่างแบตเตอรี่เฉพาะ (ลิเธียมหรือกรดตะกั่ว) กับซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ อย่างไรก็ตามมีแบตเตอรี่ที่แตกต่างกันซึ่งมีองค์ประกอบทางเคมีที่แตกต่างกัน ในทางกลับกันยังมี supercapacitors ที่แตกต่างกันซึ่งมีองค์ประกอบทางเคมีที่แตกต่างกันเช่นsupercapacitor electrolytic ในน้ำหรือsupercapacitor เหลวแบบไอออนิกรวมถึงsupercapacitorsแบบไฮบริดและอิเล็กโทรไลต์อินทรีย์ในตลาด องค์ประกอบที่แตกต่างกันมีลักษณะการทำงานและข้อกำหนดที่แตกต่างกัน

ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์มีจุดบวกมากกว่าในแง่ของแอพพลิเคชั่นจากนั้นแบตเตอรี่ แต่ก็มีด้านลบเมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ ดังนั้นการใช้ supercapacitors จึงขึ้นอยู่กับประเภทของแอปพลิเคชัน