آموزش الکترونیکالکترونیک

شباهت و تفاوت ابرخازن و باتری (مقایسه ابرخازن و باتری)

یک بحث مفصلی وجود دارد که ابر خازن ها در آینده بازار باتری را کنترل می کنند. چند سال پیش که ابر خازن ها در دسترس قرار گرفتند، غوغای زیادی در مورد آن ایجاد شد و بسیاری انتظار داشتند که جایگزین باتری در محصولات الکترونیکی تجاری و حتی در وسایل نقلیه الکتریکی شود. اما در واقع چنین چیزی اتفاق نیفتاده است، زیرا ابرخازن ها و باتری ها کاملاً با یکدیگر متفاوت هستند و آن ها کاربردهای خاص خود را دارند. پیشنهاد میکنم قبل از خواندن ادامه مطلب، مقاله ابرخازن را بخوانید.

واقعیتی جالب : تقریباً همه کنترل کننده های کیسه هوا مدرن به دلیل زمان پاسخگویی سریع نسبت به باتری، از ابر خازن ها تغذیه می شوند.

در مقایسه با باتری، ابرخازن ها  یا خازن های فوق العاده یک منبع انرژی ذخیره سازی یا چگالی بالا با ظرفیت عظیم برای مدت زمان کوتاه است. در این مقاله، ما درباره ابرخازن در مقایسه با باتری لیتیوم یا باتری سرب اسیدی در مورد پارامترهای مختلف بحث خواهیم کرد و با یک مطالعه موردی برای یک مهندس نتیجه گیری خواهیم کرد تا درک کند که کجا می تواند یک ابر خازن را از طریق یک باتری برای برنامه های خود انتخاب کند. اگر در مورد ابر خازن ها بی تجربه هستید، توصیه می شود قبل از ادامه کار، اصول ابرخازن ها را یاد بگیرید.

تراکم توان ابرخازن در برابر باتری

ابر خازن ها تراکم توان بالایی نسبت به باتری مشابه دارند. اگرچه انواع مختلفی از باتری ها در بازار وجود دارد، به عنوان مثال، باتری های یون لیتیوم، پلیمر، اسید سرب دارای تراکم توان متفاوتی هستند، از 1000 وات در هر کیلوگرم تا 2000 وات در هر کیلوگرم. بسته به روند ساخت، رتبه بندی ها نیز می توانند بسیار متفاوت باشند. نمودار مقایسه ای زیر تراکم توان ابرخازن در مقایسه با باتری را نشان می دهد.

تراکم توان ابرخازن در مقابل باتری

برای یادگیری کامل آردوینو ، روی دوره آموزش آردوینو و برای یادگیری کامل الکترونیک، روی دوره آموزش الکترونیک کلیک کنید.

اما، برای یک ابرخازن، تراکم توان از 2500 Wh در کیلوگرم تا 45000 Wh در کیلوگرم متغیر است. این مقدار بسیار بزرگتر از تراکم توان باتری های مشابه است.

به دلیل تراکم توان بالا، یک ابرخازن منبع قدرت مفیدی است که در آن جریان اوج بزرگتر از مقدار مورد نیاز است.

ولتاژ سلولی ابرخازن در برابر باتری

در انواع مختلف برنامه ها، اغلب ولتاژ ورودی فاکتور بزرگی است. بدیهی است که انواع مختلفی از رگولاتور های ولتاژ در بازار موجود است اما هنوز ولتاژ ورودی در یک رگولاتور به یک قسمت مهمی از برنامه تبدیل شده است. شکل زیر ولتاژ خروجی ابرخازن در مقابل باتری برای همان تعداد سلول را نشان می دهد.

مطلب پیشنهادی:  برق اضطراری چیست؟ آموزش برق اضطراری ساختمان

ولتاژ سلولی باتری در مقابل ابرخازن ها

به عنوان مثال، برنامه ای با رگولاتور ولتاژ خطی مانند 7812 حداقل به ورودی 15 ولت نیاز دارد. یک باتری لیتیوم تک سلولی در کمترین حالت شارژ 3.2 ولت و در بالاترین شارژ 4.2 ولت را تأمین می کند. بنابراین، برای جبران مشخصات ولتاژ ورودی، حداقل 5 باتری در اتصال سری لازم است اما ابرخازن می تواند خروجی 2.5 ولت تا 5.5 ولت را تأمین کند. ابرخازن ها دارای ولتاژ سلولی بالای 5.5 ولت در مقایسه با 3.7 ولت باتری لیتیوم معمولی هستند. بنابراین، با نادیده گرفتن سایر محدودیت های ابرخازن، طراح مدار می تواند سه ابر خازن 5.5 ولتی را به صورت سری انتخاب کند. در مقایسه با باتری، این بدون شک یک امتیاز اضافی ای برای ابرخازن ها در شرایط محدودیت فضا یا بهینه سازی هزینه برای اهداف است.

بازده ابر خازن بهتر است یا باتری

از نظر بازده، ابرخازن ها 95٪ کارآمدتر از باتری هایی هستند که در شرایط بارگیری کامل ٪60-80 کارآیی دارند. باتری های دارای بار زیاد، گرما را پراکنده می کنند که به بازده پایین منجر می شود. همچنین، هنگام شارژ و تخلیه با استفاده از سیستم مدیریت باتری (BMS) باید دمای باتری و سایر پارامترها کنترل شود، در حالی که در ابر خازن ها ممکن است به چنین سیستم های نظارتی دقیقی نیاز نباشد. بازده ابرخازن در مقایسه با باتری در شکل زیر نشان داده شده است. با این حال، لازم به ذکر است که ابرخازن همچنین در حین کار گرمای اسمی تولید می کند.

بازده ابر خازن یا باتری ها

قابلیت استفاده مجدد و طول عمر

عمر باتری بسیار وابسته به چرخه های شارژ و تخلیه است. در مورد باتری های لیتیوم و اسید سرب، زمان شارژ و تخلیه از 300 تا 500 سیکل محدود می شود، گاهی اوقات می تواند حداکثر 1000 برابر باشد. طول عمر بدون وضعیت شارژ و تخلیه باتری های لیتیوم می تواند به مدت 7 سال طول بکشد.

یک ابرخازن تقریباً دارای سیکل های شارژ بی نهایت است، می توان آن را برای دفعات زیادی شارژ و تخلیه کرد. می تواند از 1 لاخ تا 1 میلیون زمان باشد. طول عمر یک ابرخازن نیز زیاد است. یک ابرخازن می تواند به مدت 10-18 سال دوام داشته باشد، در حالی که باتری سرب اسید فقط حدود 5-3 سال دوام می آورد.

فاکتور ولتاژ تخلیه

یک باتری، ولتاژ خروجی نسبتاً ثابتی را ایجاد می کند. اما ولتاژ خروجی ابرخازن در شرایط تخلیه کاهش می یابد. بنابراین، در حالی که از باتری ها به عنوان منبع تغذیه استفاده می کنید، بسته به نیاز برنامه می توانید از رگولاتور کاهشی یا افزایشی استفاده کنید، اما اگر از ابر خازن استفاده می کنید، استفاده از مبدل تقویت دامنه گسترده برای جبران افت ولتاژ ورودی یک انتخاب مناسبی است.

همچنین اگر در مورد این مطلب سوالی داشتید در انتهای صفحه در قسمت نظرات بپرسید

زمان شارژ باتری در برابر ابر خازن

باتری های مختلف از الگوریتم های مختلف شارژ استفاده می کنند. برای شارژ باتری های یون لیتیوم از شارژر های ولتاژ ثابت و جریان ثابت استفاده می شود. برای تشخیص وضعیت شارژ باتری و همچنین درجه حرارت، شارژر باید به طور ویژه پیکربندی شود. در مورد باتری های سرب اسید از روش شارژ قطره ای استفاده می شود.

مطلب پیشنهادی:  آموزش ساخت PCB در خانه (مرحله به مرحله)

به طور کلی، برای شارژ باتری ها صرف نظر از یون لیتیوم یا سرب اسید، شارژ کامل به ساعت ها زمان نیاز دارد. ابرخازن دارای زمان شارژ سریعی است؛ برای دریافت شارژ کامل به مدت زمان کوتاهی نیاز دارد. بنابراین، برای برنامه هایی که زمان شارژ آنها بسیار کمتر است، قطعاً ابرخازن ها بر همان ظرفیت مشابه در باتری ها برتری دارند.

هزینه باتری در برابر ابر خازن

هزینه پارامتر مهمی برای مسائل مربوط به طراحی محصول است. هنگامی که ابر خازن ها به جای باتری استفاده می شوند، یک جایگزین پر هزینه ای هستند. این هزینه در مقایسه با ظرفیت مشابه باتری گاهی بسیار زیاد می شود مثلاً 10 برابر.

فاکتور خطر سوپر خازن ها در برابر باتری ها

باتری های لیتیوم یا سرب اسید در هنگام کار یا شارژ به مراقبت یا توجه ویژه ای نیاز دارند. به خصوص برای باتری های یون لیتیوم، توپولوژی شارژ باید به گونه ای پیکربندی شود که باتری نباید بیش از حد شارژ شود یا با ظرفیت جریان بالاتر از آنچه که باتری می تواند شارژ کند، باشد. این مسئله هر زمان که باتری بیش از حد شارژ شود یا با جریان زیاد شارژ شود، خطر انفجار را افزایش می دهد.

نه تنها در شرایط شارژ، بلکه باتری ها باید در هنگام تخلیه نیز باید با دقت کار کنند. شرایط تخلیه عمیق می تواند به عمر باتری آسیب برساند. بنابراین، باتری پس از رسیدن به سطح مشخصی از حالت شارژ، باید از بار جدا شود. همچنین اتصال کوتاه باتری وضعیت خطرناکی است.

ابرخازن ها از نظر فاکتور خطر بالا از باتری ها ایمن ترند. با این حال، شارژ ابر خازن با استفاده از ولتاژ بیشتری از مقدار مجاز آن به طور بالقوه برای آن ها مضر است. اما، هنگام شارژ بیش از یک خازن، این می تواند به یک کاری پیچیده تبدیل شود.

بررسی موردی ابرخازن و باتری

بیایید شرایطی را در نظر بگیریم که بخواهیم 10 LED موازی را به مدت 1 ساعت روشن کنیم. برای این کار، بیایید دریابیم، به عنوان یک مهندس، باید از یک ابرخازن یا باتری لیتیوم استفاده کنیم؟

بیایید فرض کنیم LED ها 30mA جریان را در 2.5 ولت ترسیم می کنند. بنابراین، LED 10 وات به طور موازی به این صورت خواهد بود :

2.5V x 0.03 x 10 = 0.75 Watt

اکنون، برای 1 ساعت استفاده که 3600 ثانیه است، انرژی مورد نیاز را می توان به صورت زیر محاسبه کرد :

3600 x 0.75 = 2700 Joules.

اگر یک ابرخازن 10F 2.5V را در نظر بگیریم، می تواند E = 1 / 2CV2 را ذخیره کند که :

½ x 10 x 2.52 =​ 31.25 Joules

بنابراین، حداقل به 85 ابرخازن به طور موازی با همان محدوده نیاز است. بدیهی است که در این کاربرد خاص باتری اولین انتخاب خواهد بود. اما اگر این برنامه به یک برنامه خاص تبدیل شود که در آن فقط به مدت 30 ثانیه به همان میزان نیرو نیاز باشد، ابرخازن می تواند یک گزینه باشد زیرا می تواند خیلی سریع شارژ شود و می تواند برای مدت زمان طولانی ای استفاده شود.

نتیجه گیری، بالاخره ابر خازن یا باتری ؟

مقایسه فوق فقط بین باتری های خاص (لیتیوم یا سرب اسید) با ابر خازن ها انجام شده است. با این حال، باتری های مختلفی با ترکیبات شیمیایی متفاوتی وجود دارند. از طرف دیگر، ابر خازن های مختلف با ترکیبات شیمیایی متفاوتی مانند یک ابر خازن الکترولیتی آبی یا یک ابر خازن مایع یونی و همچنین ابر خازن های الکترولیتی هیبریدی و آلی نیز در بازار وجود دارند. ترکیبات مختلف دارای ویژگی های کارایی و مشخصات متفاوتی هستند.

مطلب پیشنهادی:  نشتی خازن چیست؟ (آموزش کاهش نشت جریان خازن)

ابرخازن ها از نظر کاربرد امتیازات مثبت بیشتری را نسبت به باتری ها دارند. اما همچنین در مقایسه با باتری ها جنبه های منفی ای نیز دارد. بنابراین، استفاده از ابر خازن ها بسیار وابسته به نوع کاربرد است.

میخواهید برنامه نویسی STM32 را یاد بگیرید؟

دوره آموزش STM32

میخواهید الکترونیک را یاد بگیرید؟

دوره آموزش الکترونیک
دوره آموزش آردوینو

میخواهید آردوینو را به صورت پروژه محور یاد بگیرید؟ برای مشاهده توضیحات روی دوره مورد نظر کلیک کنید

برای دریافت مطالب جدید در کانال تلگرام یا پیج اینستاگرام آیرنکس عضو شوید.

محمد رحیمی

محمد رحیمی

محمد رحیمی هستم. سعی میکنم در آیرنکس مطالب مفید را قرار دهم. (در خصوص سوال در مورد این مطلب از قسمت نظرات همین مطلب اقدام کنید) سعی میکنم تمام نظرات را پاسخ دهم.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *