Supercondensateur vs batterie

Il y a un long débat sur le fait que les supercondensateurs remplaceront le marché des batteries à l'avenir. Il y a quelques années, lorsque les supercondensateurs ont été mis à disposition, il y avait un énorme battage médiatique à ce sujet et beaucoup s'attendaient à ce qu'il remplace les batteries des produits électroniques commerciaux et même des véhicules électriques. Mais rien de tel ne s'est réellement produit, car les supercondensateurs et les batteries sont complètement différents les uns des autres et ont leurs propres applications.

Fait intéressant: presque tous les contrôleurs d'airbags modernes sont alimentés par des supercondensateurs, en raison de leur temps de réponse rapide sur les batteries.

Comparé à la batterie, le supercondensateur ou ultracondensateur est une source d'énergie ou un stockage à haute densité avec une capacité énorme pendant une courte période. Dans cet article, nous aborderons Supercondensateur vs Batterie (Lithium / Plomb acide) sur divers paramètres et conclurons par une étude de cas pour qu'un ingénieur comprenne où l'on pourrait sélectionner un supercondensateur sur une batterie pour ses applications. Si vous êtes un débutant dans les supercondensateurs, il est fortement recommandé d'apprendre les bases des supercondensateurs avant de continuer.

La densité de puissance

Les supercondensateurs ont une densité de puissance élevée par rapport à la même batterie nominale. Bien qu'il existe différents types de batteries sur le marché, par exemple, les batteries lithium-ion, polymère, plomb-acide ont une densité de puissance différente, de 1000 Wh par kg à 2000 Wh par kg. Les cotes peuvent également varier beaucoup en fonction du processus de fabrication. Le tableau de comparaison ci-dessous montre la densité de puissance du supercondensateur par rapport à la batterie.

Mais, pour un supercondensateur, la densité de puissance varie de 2500 Wh par kg à 45000 Wh par kg. C'est beaucoup plus grand que la densité de puissance des mêmes batteries nominales.

En raison de la densité de puissance élevée, un supercondensateur est une source d'énergie utile lorsqu'un courant de crête plus important est requis.

Tension de cellule

Dans différents types d'applications, la tension d'entrée est souvent un facteur important. De toute évidence, il existe différents types de régulateurs de tension disponibles sur le marché, mais la tension d'entrée aux bornes d'un régulateur est devenue une partie importante de l'application. La figure ci-dessous montre la tension de sortie du supercondensateur par rapport à la batterie pour le même nombre de cellules.

Par exemple, une application avec un régulateur de tension linéaire comme le 7812 nécessite une entrée d'au moins 15V. Une batterie au lithium à une seule cellule fournit 3,2 volts à la condition de charge la plus basse et 4,2 volts à la condition de charge la plus élevée. Par conséquent, pour compenser avec la spécification de tension d'entrée, au moins 5 batteries en connexion en série sont nécessaires, mais le supercondensateur pourrait fournir une sortie de 2,5 volts à 5,5 volts. Les supercondensateurs ont une tension de cellule élevée de 5,5 V par rapport à 3,7 V d'une batterie au lithium typique. Ainsi, en ignorant les autres limitations d'un supercondensateur, le concepteur de circuits peut choisir trois supercondensateurs de 5,5 volts en série. Sur la batterie, c'est sans aucun doute un point positif des supercondensateurs dans des situations de contraintes d'espace ou d'optimisation des coûts à des fins.

Efficacité

En termes d'efficacité, les supercondensateurs sont 95% plus efficaces que les batteries qui sont 60-80% efficaces à pleine charge. Les batteries à charge élevée dissipent la chaleur qui contribue à une faible efficacité. En outre, la température de la batterie et d'autres paramètres doivent être surveillés pendant la charge et la décharge à l'aide d'un système de gestion de batterie (BMS), alors que dans les supercondensateurs, de tels systèmes de surveillance stricts peuvent ne pas être nécessaires. L' efficacité de l'ultracondensateur par rapport à la batterie est indiquée dans la figure ci-dessous. Cependant, il convient de noter que le supercondensateur génère également une chaleur nominale pendant le fonctionnement.

Réutilisabilité et durée de vie

La durée de vie de la batterie dépend fortement des cycles de charge et de décharge. Dans le cas des batteries au lithium et au plomb-acide, les temps de charge et de décharge sont limités de 300 à 500 cycles, parfois il peut être au maximum 1000 fois. La durée de vie sans la situation de charge et de décharge des batteries au lithium peut durer 7 ans.

Un supercondensateur a presque des cycles de charge infinis, il peut être chargé et déchargé un très grand nombre de fois; cela peut aller de 1 lakh à 1 million de temps. La durée de vie d'un supercondensateur est également élevée. Un supercondensateur peut durer de 10 à 18 ans, tandis qu'une batterie au plomb-acide ne peut durer qu'environ 3 à 5 ans.

Facteur de tension de décharge

Une batterie fournit une tension de sortie relativement constante. Mais la tension de sortie d' un supercondensateur diminue pendant les conditions de décharge. Par conséquent, tout en utilisant des batteries comme source d'alimentation, on peut utiliser un régulateur buck ou boost en fonction des exigences de l'application, mais lors de l'utilisation d'un supercondensateur, il est un choix populaire d'utiliser un convertisseur élévateur à large plage pour compenser la perte de tension d'entrée.

Temps de charge

Différentes batteries utilisent différents algorithmes de charge. Pour charger les batteries au lithium-ion, des chargeurs de charge à tension constante et à courant constant sont utilisés. Le chargeur doit être spécialement configuré pour détecter l'état de charge de la batterie ainsi que la température. Dans le cas des batteries au plomb-acide, une méthode de charge d' entretien est utilisée.

Dans l'ensemble, pour charger les batteries indépendamment du lithium-ion ou du plomb-acide, il faut des heures pour être complètement chargées. Le supercondensateur a un temps de charge rapide pour souper; il faut un temps très court pour obtenir une charge complète. Par conséquent, pour les applications où le temps de charge doit être très inférieur, les supercondensateurs gagnent définitivement la même capacité de batteries.

Coût

Le coût est un paramètre important pour les problèmes liés à la conception du produit. Les supercondensateurs sont une alternative coûteuse lorsqu'ils sont utilisés à la place des batteries. Le coût devient parfois très élevé, par exemple 10 fois plus élevé par rapport à la même capacité de la batterie.

Facteurs de risque

Les batteries au lithium ou au plomb-acide nécessitent une attention ou une attention particulière pendant les conditions de fonctionnement ou de charge. En particulier pour les batteries lithium-ion, la topologie de charge doit être configurée de manière à ce que la batterie ne soit pas surchargée ou chargée avec une capacité de courant supérieure à celle que la batterie peut réellement accepter. Cela augmente le risque d'explosion lorsque la batterie est surchargée ou chargée avec un courant élevé.

Non seulement en état de charge, mais les batteries doivent également être utilisées avec précaution pendant les situations de décharge. Une condition de décharge profonde peut potentiellement endommager la durée de vie de la batterie. Par conséquent, la batterie doit être déconnectée de la charge après avoir atteint un certain niveau d'état de charge. De plus, le court-circuit d'une batterie est une situation dangereuse.

Les supercondensateurs sont plus sûrs que les batteries en termes de facteurs de risque ci-dessus. Cependant, charger un supercondensateur en utilisant une tension supérieure à sa valeur nominale est potentiellement nocif pour les supercondensateurs. Mais, lorsque vous chargez plus d'un seul condensateur, cela peut devenir un travail complexe.

Étude de cas

Considérons une situation où nous voulons allumer 10 LED parallèles pendant 1 heure. Pour cette application, découvrons-nous, en tant qu'ingénieur, devrions-nous envisager d'utiliser un supercondensateur ou une batterie au lithium?

Supposons que les LED consomment 30 mA de courant à 2,5 V. Par conséquent, la puissance de 10 LED en parallèle sera

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

Désormais, pour 1 heure d'utilisation, soit 3600 secondes, l'énergie requise peut être calculée comme suit:

3600 x 0,75 = 2700 Joules.

Si on considère un supercondensateur 10F 2.5V, il peut stocker E = 1 / 2CV ² qui est

½ x 10 x 2,5 ² = 31,25 Joules

Par conséquent, il faut au moins 85 supercondensateurs en parallèle avec la même cote. Évidemment, dans cette application spécifique, la batterie sera le premier choix. Mais si cette application se transforme en une application spécifique où la même quantité d'énergie n'est requise que pendant 30 secondes, le supercondensateur peut être un choix car il peut être chargé très rapidement et peut être utilisé pendant une très longue période de temps.

Conclusion

La comparaison ci-dessus n'est effectuée qu'entre des batteries spécifiques (au lithium ou au plomb) avec des supercondensateurs. Cependant, il existe différentes batteries avec des compositions chimiques différentes. D'autre part, il existe également différents supercondensateurs avec des compositions chimiques différentes tels qu'un supercondensateur électrolytique aqueux ou avec un supercondensateur liquide ionique ainsi que des supercondensateurs électrolytiques hybrides et organiques également sur le marché. Différentes compositions ont des caractéristiques et spécifications de fonctionnement différentes.

Les supercondensateurs ont beaucoup plus de points positifs en termes d'application que les batteries. Mais, il a également des côtés négatifs par rapport aux batteries. Par conséquent, les utilisations des supercondensateurs dépendent fortement du type d'application.