هناك جدل طويل حول أن المكثفات الفائقة سوف تطغى على سوق البطاريات في المستقبل. قبل بضع سنوات عندما تم توفير المكثفات الفائقة ، كان هناك ضجة كبيرة حولها وتوقع الكثيرون أنها ستحل محل البطاريات في المنتجات الإلكترونية التجارية وحتى في المركبات الكهربائية. لكن ، لم يحدث شيء من هذا القبيل في الواقع ، لأن كلا من المكثفات الفائقة والبطاريات مختلفان تمامًا عن بعضهما البعض ولهما تطبيقاتهما الخاصة.

حقيقة ممتعة : يتم تشغيل جميع وحدات التحكم في الوسائد الهوائية الحديثة تقريبًا بواسطة مكثفات فائقة ، نظرًا لوقت استجابتها السريع على البطاريات.

بالمقارنة مع البطارية ، فإن Supercapacitor أو Ultracapacitor هو مصدر طاقة عالي الكثافة أو مخزن بسعة ضخمة لفترة زمنية قصيرة. في هذه المقالة ، سنناقش Supercapacitor مقابل البطارية (ليثيوم / حمض الرصاص) على معايير مختلفة ونختتم بدراسة حالة للمهندس لفهم أين يمكن للمرء اختيار مكثف فائق على بطارية لتطبيقاته. إذا كنت مبتدئًا في المكثفات الفائقة ، فمن المستحسن بشدة أن تتعلم أساسيات المكثفات الفائقة قبل المضي قدمًا.

المكثفات الفائقة لها كثافة طاقة عالية من نفس البطارية المقدرة. على الرغم من وجود أنواع مختلفة من البطاريات في السوق ، على سبيل المثال ، تتميز بطاريات حمض الليثيوم والبوليمر وبطاريات حمض الرصاص بكثافة طاقة مختلفة ، من 1000 واط لكل كيلوغرام إلى 2000 واط في الساعة لكل كيلوغرام. يمكن أن تختلف التصنيفات أيضًا كثيرًا اعتمادًا على عملية التصنيع. يوضح مخطط المقارنة أدناه كثافة طاقة Supercapacitor مقابل البطارية.

ولكن بالنسبة للمكثف الفائق ، تتراوح كثافة الطاقة من 2500 واط لكل كيلوغرام إلى 45000 واط لكل كيلوغرام. هذا أكبر بكثير من كثافة الطاقة لنفس البطاريات المصنفة.

نظرًا لكثافة الطاقة العالية ، فإن المكثف الفائق هو مصدر طاقة مفيد حيث يتطلب تيار ذروة أكبر.

في أنواع مختلفة من التطبيقات ، غالبًا ما يكون جهد الدخل عاملاً كبيرًا. من الواضح أن هناك أنواعًا مختلفة من منظمات الجهد المتاحة في السوق ، ولكن مع ذلك ، أصبح جهد الدخل عبر المنظم جزءًا مهمًا من التطبيق. يوضح الشكل أدناه جهد الخرج لـ Supercapacitor مقابل البطارية لنفس عدد الخلايا.

على سبيل المثال ، يتطلب التطبيق الذي يحتوي على منظم جهد خطي مثل 7812 إدخال 15 فولت على الأقل. توفر بطارية الليثيوم أحادية الخلية 3.2 فولت في أقل حالة شحن و 4.2 فولت في أعلى حالة شحن. لذلك ، للتعويض عن مواصفات جهد الدخل ، يلزم وجود 5 بطاريات على الأقل متصلة بالسلسلة ، ولكن يمكن أن يوفر supercapacitor 2.5 فولت إلى إخراج 5.5 فولت.

المكثفات الفائقة لها جهد خلوي عالٍ يبلغ 5.5 فولت مقارنةً بجهد 3.7 فولت لبطارية ليثيوم نموذجية. وبالتالي ، تجاهل القيود الأخرى للمكثف الفائق ، يمكن لمصمم الدائرة اختيار ثلاثة مكثفات فائقة بجهد 5.5 فولت في السلسلة. فوق البطارية ، يعد هذا بلا شك نقطة إضافية للمكثفات الفائقة في حالات تقييد المساحة أو تحسين التكلفة للأغراض.

• من حيث الكفاءة ، تعتبر المكثفات الفائقة أكثر كفاءة بنسبة 95٪ من البطاريات التي تبلغ 60-80٪ في ظل ظروف التحميل الكامل.
• تعمل البطاريات ذات الحمولة العالية على تبديد الحرارة التي تساهم في انخفاض الكفاءة. أيضًا ، يجب مراقبة درجة حرارة البطارية والمعلمات الأخرى أثناء الشحن والتفريغ باستخدام نظام إدارة البطارية (BMS) ، بينما في المكثفات الفائقة قد لا تكون هناك حاجة لأنظمة مراقبة صارمة.
• يتم عرض كفاءة Ultracapacitor مقابل البطارية في الشكل أدناه. ومع ذلك ، تجدر الإشارة إلى أن المكثف الفائق يولد أيضًا حرارة اسمية أثناء التشغيل.

يعتمد عمر البطارية بشكل كبير على دورات الشحن والتفريغ . في حالة بطاريات الليثيوم وحمض الرصاص ، تكون أوقات الشحن والتفريغ محدودة من 300 إلى 500 دورة ، وأحيانًا يمكن أن تكون بحد أقصى 1000 مرة. يمكن أن يستمر العمر الافتراضي بدون وضع الشحن والتفريغ لبطاريات الليثيوم لمدة 7 سنوات.

يكاد يكون للمكثف الفائق دورات شحن غير محدودة ، ويمكن شحنه وتفريغه لعدد كبير من المرات ؛ يمكن أن يكون من 1 لكح إلى مليون مرة. كما أن العمر الافتراضي للمكثف الفائق مرتفع. يمكن أن يستمر المكثف الفائق لمدة تتراوح بين 10 و 18 عامًا ، بينما يمكن أن تدوم بطارية الرصاص الحمضية حوالي 3-5 سنوات فقط.

توفر البطارية جهد خرج ثابتًا نسبيًا. لكن جهد الخرج الفائق ينخفض أثناء ظروف التفريغ. لذلك ، أثناء استخدام البطاريات كمصدر للطاقة ، يمكن للمرء استخدام منظم باك أو زيادة حسب متطلبات التطبيق ، ولكن أثناء استخدام supercapacitor ، يعد اختيارًا شائعًا لاستخدام محول تعزيز واسع النطاق لتعويض فقد جهد الدخل.

تستخدم البطاريات المختلفة خوارزميات شحن مختلفة. لشحن بطاريات ليثيوم أيون ، يتم استخدام شواحن ذات جهد ثابت وشحن تيار مستمر. يجب تكوين الشاحن بشكل خاص لاكتشاف حالة شحن البطارية بالإضافة إلى درجة الحرارة. في حالة بطاريات الرصاص الحمضية ، يتم استخدام طريقة الشحن الهزيلة.

بشكل عام ، لشحن البطاريات بغض النظر عن الليثيوم أيون أو حمض الرصاص ، يستغرق شحن البطاريات بالكامل ساعات. المكثف الفائق لديه وقت شحن سريع للعشاء ؛ يحتاج إلى فترة زمنية قصيرة جدًا للحصول على شحن كامل. لذلك ، بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب وقتًا أقل للشحن ، فإن المكثفات الفائقة تفوز بالتأكيد بنفس سعة البطاريات.

التكلفة هي معلمة مهمة للقضايا المتعلقة بتصميم المنتج. تعتبر المكثفات الفائقة بديلاً مكلفًا عند استخدامها بدلاً من البطاريات. ترتفع التكلفة في بعض الأحيان جدًا مثل أعلى 10 مرات عند مقارنتها بنفس سعة البطارية.

• تتطلب بطاريات الليثيوم أو بطاريات الرصاص الحمضية عناية خاصة أو عناية خاصة أثناء ظروف التشغيل أو الشحن. خاصة بالنسبة لبطاريات الليثيوم أيون ، يجب تكوين طوبولوجيا الشحن بطريقة لا ينبغي فيها زيادة شحن البطارية أو شحنها بسعة تيار أعلى مما يمكن أن تقبله البطارية بالفعل. يؤدي ذلك إلى زيادة خطر حدوث انفجار عند زيادة شحن البطارية أو شحنها بتيار عالٍ.
• ليس فقط في حالة الشحن ، ولكن البطاريات تحتاج أيضًا إلى التشغيل بعناية أثناء حالات التفريغ. قد تؤدي حالة التفريغ العميق إلى إتلاف عمر البطارية. لذلك ، يجب فصل البطارية عن الحمولة بعد وصولها إلى مستوى معين من حالة الشحن. كما أن قصر الدائرة الكهربائية للبطارية يمثل حالة خطيرة.
• تعتبر المكثفات الفائقة أكثر أمانًا من البطاريات من حيث عوامل الخطر المذكورة أعلاه. ومع ذلك ، فإن شحن مكثف فائق باستخدام جهد كهربائي أعلى من تصنيفه قد يكون ضارًا بالمكثفات الفائقة. ولكن عند شحن أكثر من مكثف واحد ، يمكن أن تصبح مهمة معقدة.

لنفكر في موقف نريد أن نضيء فيه 10 مصابيح LED متوازية لمدة ساعة واحدة. بالنسبة لهذا التطبيق ، دعنا نكتشف ، كمهندس ، هل يجب أن نفكر في استخدام مكثف فائق أو بطارية ليثيوم؟

لذلك ، يحتاج المرء إلى 85 مكثفًا فائقًا على الأقل بالتوازي مع نفس التصنيف. من الواضح أن هذه البطارية الخاصة بالتطبيق ستكون الخيار الأول. ولكن إذا تم تغيير هذا التطبيق إلى تطبيق معين حيث يتطلب نفس القدر من الطاقة لمدة 30 ثانية فقط ، يمكن أن يكون Supercapacitor اختيارًا حيث يمكن شحنه بسرعة كبيرة ويمكن استخدامه لفترة طويلة جدًا من الوقت.

يتم إجراء المقارنة أعلاه فقط بين بطاريات محددة (الليثيوم أو حمض الرصاص) ذات المكثفات الفائقة. ومع ذلك ، هناك بطاريات مختلفة بتركيبات كيميائية مختلفة. من ناحية أخرى ، هناك أيضًا مكثفات فائقة مختلفة بتركيبات كيميائية مختلفة مثل المكثف الفائق الإلكتروليتي المائي أو المكثف الفائق للسائل الأيوني بالإضافة إلى المكثفات الفائقة الإلكتروليتية العضوية والعضوية في السوق أيضًا. التركيبات المختلفة لها خصائص ومواصفات عمل مختلفة.

المكثفات الفائقة لها نقاط إيجابية أكثر بكثير من حيث التطبيق ثم البطاريات. لكن لها أيضًا جوانب سلبية مقارنة بالبطاريات. لذلك ، فإن استخدامات المكثفات الفائقة يمكن الاعتماد عليها بشكل كبير على نوع التطبيق.