- Mật độ điện
- Điện áp di động
- Hiệu quả
- Khả năng tái sử dụng và tuổi thọ
- Hệ số điện áp xả
- Thời gian sạc
- Giá cả
- Các yếu tố rủi ro
- Nghiên cứu điển hình
- Phần kết luận
Có một cuộc tranh luận dài rằng Siêu tụ điện sẽ chiếm ưu thế trên thị trường pin trong tương lai. Vài năm trở lại đây khi Siêu tụ điện được sản xuất, người ta đã thổi phồng rất nhiều về nó và nhiều người mong đợi nó sẽ thay thế pin trong các sản phẩm điện tử thương mại và thậm chí cả trong Xe điện. Tuy nhiên, không có gì như vậy thực sự xảy ra, bởi vì cả Siêu tụ điện và Pin hoàn toàn khác nhau và chúng có ứng dụng riêng.
Sự thật thú vị: Hầu hết tất cả các bộ điều khiển túi khí hiện đại đều được cung cấp năng lượng bởi siêu tụ điện, vì thời gian phản hồi nhanh hơn so với pin.
So với pin, Siêu tụ điện hoặc Siêu tụ điện là nguồn năng lượng mật độ cao hoặc bộ lưu trữ với điện dung khổng lồ trong một khoảng thời gian ngắn. Trong bài viết này, chúng ta sẽ thảo luận về Siêu tụ điện so với Pin (Lithium / Axit chì) về các thông số khác nhau và kết thúc bằng một nghiên cứu điển hình để một kỹ sư hiểu được nơi người ta có thể chọn một siêu tụ điện thay cho pin cho các ứng dụng của mình. Nếu bạn là người mới làm quen với Siêu tụ điện thì bạn nên tìm hiểu những kiến thức cơ bản về Siêu tụ điện trước khi tiếp tục.
Mật độ điện
Các siêu tụ điện có mật độ năng lượng cao hơn so với các pin cùng loại. Mặc dù có nhiều loại pin khác nhau trên thị trường, chẳng hạn như pin lithium-ion, polymer, axit chì có mật độ năng lượng khác nhau, từ 1000 Wh trên kg đến 2000 Wh trên kg. Xếp hạng cũng có thể khác nhau rất nhiều tùy thuộc vào quá trình sản xuất. Biểu đồ so sánh dưới đây cho thấy mật độ năng lượng của Siêu tụ điện so với Pin.
Tuy nhiên, đối với một siêu tụ điện, mật độ công suất thay đổi từ 2500 Wh trên kg đến 45000 Wh trên kg. Đó là lớn hơn nhiều so với mật độ năng lượng của các loại pin cùng loại.
Do mật độ công suất cao, siêu tụ điện là nguồn điện hữu ích khi yêu cầu dòng điện đỉnh lớn hơn.
Điện áp di động
Trong các loại ứng dụng khác nhau, thường điện áp đầu vào là một yếu tố lớn. Rõ ràng, có nhiều loại bộ điều chỉnh điện áp khác nhau có sẵn trên thị trường nhưng vẫn còn, điện áp đầu vào qua bộ điều chỉnh trở thành một phần quan trọng của ứng dụng. Hình dưới đây cho thấy điện áp đầu ra của Siêu tụ điện so với Pin cho cùng một số tế bào.
Ví dụ, một ứng dụng có bộ điều chỉnh điện áp tuyến tính như 7812 yêu cầu đầu vào ít nhất 15V. Pin Lithium một cell cung cấp 3,2 volt ở điều kiện sạc thấp nhất và 4,2 volt ở điều kiện sạc cao nhất. Do đó, để bù với thông số điện áp đầu vào, cần ít nhất 5 pin mắc nối tiếp nhưng siêu tụ điện có thể cung cấp đầu ra 2,5 volt đến 5,5 volt. Siêu tụ điện có điện áp tế bào cao là 5,5V so với 3,7V của pin Lithium điển hình. Do đó, bỏ qua những hạn chế khác của siêu tụ điện, nhà thiết kế mạch có thể chọn ba siêu tụ điện 5,5 vôn mắc nối tiếp. Về pin, đây chắc chắn là một điểm cộng của siêu tụ điện trong các tình huống hạn chế về không gian hoặc tối ưu hóa chi phí cho các mục đích.
Hiệu quả
Về hiệu suất, siêu tụ điện có hiệu suất cao hơn 95% so với pin có hiệu suất 60-80% trong điều kiện đầy tải. Pin ở tải trọng cao sẽ tản nhiệt dẫn đến hiệu suất thấp. Ngoài ra, nhiệt độ pin và các thông số khác cần được theo dõi trong quá trình sạc và xả bằng Hệ thống quản lý pin (BMS), trong khi ở siêu tụ điện có thể không cần hệ thống giám sát nghiêm ngặt như vậy. Các hiệu quả của Ultracapacitor vs pin được hiển thị trong hình bên dưới. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng Siêu tụ điện cũng tạo ra nhiệt danh định trong quá trình hoạt động.
Khả năng tái sử dụng và tuổi thọ
Tuổi thọ của pin phụ thuộc nhiều vào chu kỳ sạc và xả. Trong trường hợp pin Lithium và pin axit-chì, số lần sạc và xả bị giới hạn từ 300 đến 500 chu kỳ, đôi khi có thể tối đa là 1000 lần. Tuổi thọ không có tình trạng sạc và xả pin lithium có thể kéo dài 7 năm.
Một siêu tụ điện gần như có chu kỳ tích điện vô hạn, nó có thể được sạc và phóng điện trong một số lượng lớn thời gian; nó có thể từ 1 vạn đến 1 triệu thời gian. Tuổi thọ của siêu tụ điện cũng cao. Một siêu tụ điện có thể tồn tại trong 10-18 năm, trong khi pin Axit-chì chỉ có thể kéo dài khoảng 3-5 năm.
Hệ số điện áp xả
Pin cung cấp điện áp đầu ra tương đối ổn định. Nhưng điện áp đầu ra của siêu tụ điện giảm trong điều kiện phóng điện. Do đó, trong khi sử dụng pin làm nguồn điện, người ta có thể sử dụng bộ điều chỉnh buck hoặc bộ tăng áp tùy thuộc vào yêu cầu ứng dụng, nhưng trong khi sử dụng siêu tụ điện, việc sử dụng bộ chuyển đổi tăng dải rộng để bù đắp tổn thất điện áp đầu vào là một lựa chọn phổ biến.
Thời gian sạc
Các loại pin khác nhau sử dụng các thuật toán sạc khác nhau. Để sạc pin Lithium-ion điện áp không đổi và bộ sạc sạc dòng điện không đổi được sử dụng. Bộ sạc cần được cấu hình đặc biệt để phát hiện tình trạng sạc của pin cũng như nhiệt độ. Đối với trường hợp ắc quy axit-chì, phương pháp sạc nhỏ giọt được sử dụng.
Nhìn chung, để sạc pin không phân biệt Lithium-ion hay axit-chì, phải mất hàng giờ để sạc đầy. Siêu tụ điện có thời gian sạc nhanh hơn; nó cần một khoảng thời gian rất ngắn để sạc đầy. Do đó, đối với các ứng dụng yêu cầu thời gian sạc rất ít, siêu tụ điện chắc chắn giành được ưu thế hơn so với các loại pin cùng dung lượng.
Giá cả
Giá thành là một thông số quan trọng đối với các vấn đề liên quan đến thiết kế sản phẩm. Siêu tụ điện là một giải pháp thay thế tốn kém khi được sử dụng thay cho pin. Chi phí đôi khi rất cao, chẳng hạn như cao hơn 10 lần khi so sánh với cùng một dung lượng của pin.
Các yếu tố rủi ro
Pin lithium hoặc axit chì cần được chăm sóc hoặc chú ý đặc biệt trong điều kiện hoạt động hoặc sạc. Đặc biệt đối với pin lithium-ion, cấu trúc liên kết sạc cần được định cấu hình sao cho pin không bị sạc quá mức hoặc được sạc với công suất dòng điện cao hơn mức pin thực tế có thể chấp nhận. Điều này làm tăng nguy cơ cháy nổ bất cứ khi nào pin được sạc quá mức hoặc được sạc với dòng điện cao.
Không chỉ trong tình trạng sạc mà pin cũng cần được vận hành cẩn thận trong các tình huống phóng điện. Tình trạng xả sâu có thể làm hỏng tuổi thọ của pin. Do đó, ắc quy cần phải được ngắt khỏi tải sau khi nó đạt đến một mức độ nhất định của trạng thái sạc. Ngoài ra, ngắn mạch của pin là một tình huống nguy hiểm.
Siêu tụ điện an toàn hơn pin về các yếu tố rủi ro nêu trên. Tuy nhiên, việc sạc siêu tụ điện bằng điện áp cao hơn định mức của nó có thể gây hại cho siêu tụ điện. Tuy nhiên, khi sạc nhiều hơn một tụ điện, nó có thể trở thành một công việc phức tạp.
Nghiên cứu điển hình
Hãy xem xét một tình huống mà chúng ta muốn thắp sáng 10 đèn LED song song trong 1 giờ. Đối với ứng dụng này, chúng ta hãy tìm hiểu xem, với tư cách là một kỹ sư, chúng ta nên xem xét sử dụng siêu tụ điện hay pin lithium?
Giả sử các đèn LED tạo ra 30mA dòng điện ở 2,5V. Do đó, công suất của 10 đèn LED song song sẽ là
2,5V x 0,03 x 10 = 0,75 Watt
Bây giờ, trong 1 Giờ sử dụng là 3600 giây, năng lượng cần thiết có thể được tính là
3600 x 0,75 = 2700 Joules.
Nếu chúng ta coi một Siêu tụ điện 10F 2,5V, nó có thể lưu trữ E = 1 / 2CV 2 là
½ x 10 x 2,5 2 = 31,25 Joules
Do đó, người ta cần có ít nhất 85 Siêu tụ điện song song với cùng một định mức. Rõ ràng trong ứng dụng cụ thể này pin sẽ là lựa chọn đầu tiên. Nhưng nếu ứng dụng này được thay đổi thành một ứng dụng cụ thể mà chỉ cần một lượng điện tương tự trong 30 Giây, thì Siêu tụ điện có thể là một lựa chọn vì nó có thể được sạc rất nhanh và có thể sử dụng trong một khoảng thời gian rất dài.
Phần kết luận
So sánh trên chỉ được thực hiện giữa các loại pin cụ thể (lithium hoặc axit chì) với siêu tụ điện. Tuy nhiên, có những loại pin khác nhau với các thành phần hóa học khác nhau. Mặt khác, cũng có các siêu tụ điện khác nhau với các thành phần hóa học khác nhau như siêu tụ điện dung dịch nước hoặc siêu tụ điện lỏng ion cũng như siêu tụ điện lai và hữu cơ cũng có trên thị trường. Các chế phẩm khác nhau có các đặc tính và thông số kỹ thuật làm việc khác nhau.
Siêu tụ điện có nhiều điểm tích cực hơn về mặt ứng dụng sau đó là pin. Tuy nhiên, nó cũng có những mặt tiêu cực so với pin. Do đó, việc sử dụng siêu tụ điện phụ thuộc rất nhiều vào loại ứng dụng.