Hvorfor kan vi ikke bruke store kondensatorer i stedet for batterier?

Kondensatorer har en rekke flotte egenskaper. De lagrer strøm som elektrisk ladning i stedet for kjemisk energi, for eksempel. Dette gir vanligvis nesten umiddelbare ladetider og svært høye topputgangsstrømmer. De kan overleve hundretusenvis av lade- og utladningssykluser, i stedet for hundrevis av sykluser for fulladede batterier. Så hva er problemet?

Et batteri gir en ganske konstant spenning over lang levetid. Avhengig av enheten kan du ha ytelsesproblemer som nærmer seg uttømming. Smarttelefoner går for eksempel i strømsparingsmodus. Det er ikke bare for å holde dem i gang litt lenger, men for å forhindre umiddelbar avstengning uten forvarsel.

Som du kan se, faller spenningen når batteriet nærmer seg utmattelse. I telefonen din finnes det en strømomformingskrets, en del av den generelle strømstyringen, som fungerer ved å konvertere ikke veldig konstant batteristrøm til en veldig strengt regulert systemstrøm (sannsynligvis en rekke forskjellige spenninger). Merk at det er en viktig sammenheng her: strøm = strøm * spenning. Så for å beholde samme effekt, når spenningen synker, må kretsen min trekke mer strøm.

Alle batterier har en liten indre motstand, og på grunn av et annet forhold, kalt Ohms lov, vet du at det vil bli noe spenningsfall i batteriet. I tegningen er Vout = V0 − r * I, hvor I er strømmen. Dermed, når V0 faller og strømstyringskretsen min må trekke mer strøm for å levere samme effekt, faller batteriets utgangsspenning enda raskere. Dette begrenset den maksimale strømutgangen til et batteri, og det betyr også at de faller ut ganske raskt når de er nesten utladet.

Men utgangsspenningen, toppstrømmen og den totale effekten i en kondensator faller eksponentielt over tid. Kondensatoren har én fordel: den lagrer elektrisk ladning, i stedet for å konvertere elektrisk ladning til kjemisk ladning som i et batteri, så selv om det er en indre motstand, er den liten og kan vanligvis ignoreres. Kondensatorer kan gi veldig, veldig høy strøm i kort tid.

Men for å drive noe, er de problematiske. Husk mitt ønske om å holde en konstant strømforsyning inn i strømstyringssystemet mitt, og at effekt = strøm*spenning. Når spenningen vår synker raskt, må vi kompensere for det med raskt stigende strøm for å levere samme effekt. Svært høye strømmer gir en mye dyrere krets, større effektomformingskomponenter, mer effekttap i kretskort, osv. ... samme grunnleggende problem som batteriet har nær slutten, bare at dette begynner å skje veldig tidlig i kondensatorens nyttige strømlagringslevetid. Og når kondensatoren tømmes, synker toppstrømmen, selv om den fortsatt er relativt høy, også.

Det andre problemet er at moderne ultrakondensatorer har mye lavere spesifikk energi enn batterier. De beste ultrakondensatorene på markedet klarer 8–10 Wh/kg, de fleste ligger nærmere 5 Wh/kg. De beste litiumionbatteriene leverer nærmere 200 Wh/kg, og mange formuleringer kan nå over 100 Wh/kg. Så du trenger omtrent 20 ganger vekten for å bruke ultrakondensatorer. Men muligens mer, siden spenningen på et tidspunkt under utlading, avhengig av bruksområde, vil falle for lavt til å være brukbar, slik at strømmen blir ubrukt. I motsetning til mer tradisjonelle kondensatorer har ultrakondensatorer også en relativt høy indre motstand. Så de kan ikke nødvendigvis støtte mye bytte av spenning mot strøm.

Så har vi selvutlading: hvor raskt «lekker» strøm fra en lagringsenhet. De eneste NiMh-cellene er robuste, men selvutladingen er så høy som 20–30 % per måned. Li-ion-celler reduserer dette til mer som <2 % per måned, avhengig av den spesifikke Li-ion-teknologien, kanskje 3 % i noen systemer, avhengig av batteriovervåkingskostnadene. Dagens ultrakondensatorer mister så mye som 50 % lading i løpet av den første måneden. Det spiller kanskje ingen rolle i en enhet som lades daglig, men det begrenser absolutt bruksområdene for kondensatorer kontra batterier, i hvert fall inntil bedre design er laget.

Og fordi du trenger så mange, kan den nåværende kostnaden for ultrakondensatorer være 6–20 ganger kostnaden for batterier. Hvis applikasjonen din trenger en veldig liten effekt, spesielt med veldig korte høye strømstøt, kan ultrakondensatoren være et alternativ. Ellers vil det ikke være en batterierstatning i nær fremtid.

For applikasjoner med høy strømstyrke, som elbiler, er det egentlig ikke et nyttig alternativ ennå, som en frittstående løsning. Selv om systemer som bruker både ultrakondensatorer og batterier kan være attraktive, siden forskjellene deres komplementerer hverandre veldig, er den høye strømoverføringen og lange levetiden til kondensatoren kontra den høye spesifikke energien/energitettheten til batteriet. Og det gjøres mye arbeid for å levere mye bedre ultrakondensatorer, samt mye bedre batterier. Så kanskje ultrakondensatoren en dag tar på seg flere av de typiske batterioppgavene.

artikkel fra: https://qr.ae/pCacU0