슈퍼 커패시터가 앞으로 배터리 시장을 지배 할 것이라는 오랜 논쟁이 있습니다. 슈퍼 커패시터가 출시 된 몇 년 전, 그것에 대해 엄청난 과장이 있었고 많은 사람들이 상업용 전자 제품과 심지어 전기 자동차의 배터리를 대체 할 것으로 예상했습니다. 그러나 슈퍼 커패시터와 배터리는 서로 완전히 다르고 자체 애플리케이션이 있기 때문에 실제로 그런 일은 일어나지 않았습니다.
재미있는 사실: 거의 모든 최신 에어백 컨트롤러는 배터리보다 빠른 응답 시간으로 인해 슈퍼 커패시터로 구동됩니다.
배터리와 비교할 때 슈퍼 커패시터 또는 울트라 커패시터는 단시간 동안 큰 정전 용량을 가진 고밀도 에너지 원 또는 스토리지입니다. 이 기사에서는 다양한 매개 변수에 대한 슈퍼 커패시터 대 배터리 (리튬 / 납산)에 대해 논의 하고 엔지니어가 자신의 애플리케이션을 위해 배터리 대신 슈퍼 커패시터를 선택할 수있는 위치를 이해하기위한 사례 연구를 마무리합니다. 슈퍼 커패시터를 처음 접하는 경우 계속 진행하기 전에 슈퍼 커패시터의 기본 사항을 배우는 것이 좋습니다.
출력 밀도
슈퍼 커패시터는 동일한 정격 배터리보다 전력 밀도 가 높습니다. 예를 들어 리튬 이온, 폴리머, 납축 배터리는 1000Wh / kg에서 2000Wh / kg까지 다양한 종류의 배터리가 시장에 나와 있습니다. 등급은 제조 공정에 따라 많이 다를 수 있습니다. 아래 비교 차트 는 슈퍼 커패시터와 배터리 의 전력 밀도를 보여줍니다.
그러나 슈퍼 커패시터의 경우 전력 밀도는 kg 당 2500Wh에서 kg 당 45000Wh까지 다양합니다. 이는 동일한 정격 배터리의 전력 밀도보다 훨씬 큽니다.
높은 전력 밀도로 인해 슈퍼 커패시터는 더 큰 피크 전류가 필요한 곳에 유용한 전원 입니다.
세포 전압
다양한 종류의 애플리케이션에서 종종 입력 전압이 큰 요인입니다. 분명히 시장에는 다양한 종류의 전압 레귤레이터가 있지만 여전히 레귤레이터의 입력 전압은 애플리케이션의 중요한 부분이되었습니다. 아래 그림은 동일한 수의 셀에 대한 슈퍼 커패시터 대 배터리 의 출력 전압을 보여줍니다.
예를 들어 7812와 같은 선형 전압 레귤레이터가있는 애플리케이션에는 최소 15V 입력이 필요합니다. 단일 셀 리튬 배터리는 최저 충전 상태에서 3.2V, 최고 충전 상태에서 4.2V를 제공합니다. 따라서 입력 전압 사양을 보상하려면 직렬 연결로 최소 5 개의 배터리가 필요하지만 슈퍼 커패시터는 2.5V ~ 5.5V 출력을 제공 할 수 있습니다. 슈퍼 커패시터는 일반적인 리튬 배터리의 3.7V에 비해 5.5V 의 높은 셀 전압 을 가지고 있습니다. 따라서 회로 설계자는 슈퍼 커패시터 의 다른 한계를 무시하고 3 개의 5.5V 슈퍼 커패시터를 직렬로 선택할 수 있습니다. 배터리 전반에 걸쳐 이것은 공간 제약 상황이나 목적을위한 비용 최적화에서 슈퍼 커패시터의 장점입니다.
능률
효율성 측면에서 슈퍼 커패시터는 완전 부하 조건에서 60 ~ 80 % 효율이 높은 배터리보다 95 % 더 효율적 입니다. 부하가 높은 배터리는 열을 발산하여 효율을 낮 춥니 다. 또한 배터리 관리 시스템 (BMS)을 사용하여 충전 및 방전 중에 배터리 온도 및 기타 매개 변수를 모니터링해야하는 반면 슈퍼 커패시터에서는 이러한 엄격한 모니터링 시스템이 필요하지 않을 수 있습니다. Ultracapacitor 대 배터리 의 효율성은 아래 그림에 나와 있습니다. 그러나 Supercapacitor는 작동 중에 공칭 열도 생성한다는 점에 유의해야합니다.
재사용 성 및 수명
배터리의 수명은 충전 및 방전주기에 따라 크게 달라집니다. 리튬 및 납 축전지의 경우 충전 및 방전 시간은 300 ~ 500 회로 제한되며 때로는 최대 1000 회까지 가능합니다. 충전 및 방전 상황이없는 리튬 배터리의 수명은 7 년 동안 지속될 수 있습니다.
슈퍼 커패시터는 거의 무한한 충전주기 를 가지며, 엄청난 횟수로 충전 및 방전 될 수 있습니다. 1 lakh에서 1million 시간이 될 수 있습니다. 슈퍼 커패시터의 수명 또한 높습니다. 슈퍼 커패시터는 10-18년 지속될 수 납산 배터리는 약 3-5년 만 지속될 수있는 반면,.
방전 전압 계수
배터리는 비교적 일정한 출력 전압을 제공합니다. 그러나 슈퍼 커패시터 출력 전압은 방전 조건에서 감소합니다. 따라서 배터리를 전원으로 사용하는 동안 애플리케이션 요구 사항에 따라 벅 또는 부스트 레귤레이터를 사용할 수 있지만 슈퍼 커패시터를 사용하는 동안 입력 전압 손실을 보상하기 위해 넓은 범위의 부스트 컨버터를 사용하는 것이 일반적입니다.
충전 시간
다른 배터리는 다른 충전 알고리즘을 사용합니다. 리튬 이온 배터리를 충전하기 위해 정전압 및 정전류 충전 충전기가 사용됩니다. 충전기는 배터리의 충전 상태와 온도를 감지하도록 특별히 구성되어야합니다. 납산 배터리의 경우 세류 충전 방식이 사용됩니다.
전반적으로 리튬 이온 또는 납산에 관계없이 배터리를 충전하려면 완전히 충전하는 데 몇 시간이 걸립니다. 슈퍼 커패시터는 저녁 식사 빠른 충전 시간있다; 완전히 충전하려면 매우 짧은 시간이 필요합니다. 따라서 충전 시간이 매우 짧아야하는 애플리케이션의 경우 슈퍼 커패시터가 동일한 배터리 용량을 확실히 차지합니다.
비용
비용은 제품 설계 관련 문제의 중요한 매개 변수입니다. 슈퍼 커패시터는 배터리 대신 사용할 때 비용이 많이 드는 대안 입니다. 같은 용량의 배터리와 비교할 때 비용이 10 배 정도 더 비싸지는 경우가 있습니다.
위험 요소
리튬 또는 납산 배터리는 작동 또는 충전 조건에서 특별한주의 나주의가 필요합니다. 특히 리튬 이온 배터리의 경우 배터리가 실제로 수용 할 수있는 것보다 더 높은 전류 용량으로 배터리가 과충전되거나 충전되지 않도록 충전 토폴로지를 구성해야합니다. 이는 배터리가 과충전되거나 고전류로 충전 될 때마다 폭발 위험을 증가시킵니다.
충전 상태뿐 아니라 방전 상태에서도 배터리를주의 깊게 작동해야합니다. 과방 전 상태는 잠재적으로 배터리 수명을 손상시킬 수 있습니다. 따라서 배터리가 일정 수준의 충전 상태에 도달 한 후에는 부하에서 배터리를 분리해야합니다. 또한 배터리 단락은 위험한 상황입니다.
슈퍼 커패시터는 위의 위험 요소 측면 에서 배터리보다 안전합니다. 그러나 정격보다 높은 전압을 사용하여 슈퍼 커패시터를 충전하면 슈퍼 커패시터에 잠재적으로 해로울 수 있습니다. 그러나 하나 이상의 커패시터를 충전하면 복잡한 작업이 될 수 있습니다.
사례 연구
1 시간 동안 10 개의 병렬 LED를 켜고 자하는 상황을 생각해 봅시다. 이 애플리케이션의 경우 엔지니어로서 슈퍼 커패시터 또는 리튬 배터리 사용을 고려해야합니까?
LED가 2.5V에서 30mA의 전류를 소비한다고 가정 해 보겠습니다. 따라서 병렬로 연결된 10 개의 LED의 와트는
2.5V x 0.03 x 10 = 0.75 와트
이제 1 시간 사용 (3600 초)에 필요한 에너지는 다음과 같이 계산할 수 있습니다.
3600 x 0.75 = 2700 줄.
10F 2.5V 슈퍼 커패시터를 고려하면 E = 1 / 2CV 2 를 저장할 수 있습니다.
½ X 10 X 2.5 2 = 31.25 주울
따라서 동일한 정격으로 병렬로 최소 85 개의 슈퍼 커패시터가 필요합니다. 분명히이 특정 응용 프로그램에서 배터리가 첫 번째 선택이 될 것입니다. 그러나이 애플리케이션이 30 초 동안 만 같은 양의 전력이 필요한 특정 애플리케이션으로 변경된 경우, Supercapacitor는 매우 빠르게 충전 될 수 있고 매우 오랜 시간 동안 사용할 수 있으므로 선택이 될 수 있습니다.
결론
위의 비교는 슈퍼 커패시터가있는 특정 배터리 (리튬 또는 납산) 사이에서만 수행됩니다. 그러나 화학 성분이 다른 다른 배터리가 있습니다. 한편, 수성 전해 슈퍼 커패시터 나 이온 성 액체 슈퍼 커패시터 와 같은 화학적 조성이 다른 슈퍼 커패시터와 하이브리드 및 유기 전해 슈퍼 커패시터도 시장에 나와 있습니다. 구성에 따라 작업 특성과 사양이 다릅니다.
슈퍼 커패시터는 배터리보다 애플리케이션 측면에서 훨씬 더 긍정적 인 점을 가지고 있습니다. 그러나 배터리에 비해 부정적인 측면도 있습니다. 따라서 슈퍼 커패시터의 사용은 애플리케이션 유형에 따라 크게 달라집니다.