スーパーキャパシタが将来的にバッテリー市場を覆すという長い議論があります。スーパーキャパシターが利用可能になった数年前、それについて大きな誇大宣伝があり、多くの人がそれが商用電子製品や電気自動車のバッテリーに取って代わることを期待していました。しかし、実際にはそのようなことは何も起こりませんでした。なぜなら、スーパーキャパシタとバッテリーは互いに完全に異なり、独自のアプリケーションを持っているからです。
おもしろ情報：ほとんどすべての最新のエアバッグコントローラーは、バッテリーよりも応答時間が速いため、スーパーキャパシターを搭載しています。
バッテリーと比較して、スーパーキャパシターまたはウルトラキャパシターは、高密度のエネルギー源またはストレージであり、短時間で大きな静電容量を備えています。この記事では、さまざまなパラメーターについてスーパーキャパシターとバッテリー（リチウム/鉛酸）について説明し、エンジニアがアプリケーション用にバッテリーよりもスーパーキャパシターを選択できる場所を理解するためのケーススタディで締めくくります。スーパーキャパシタの初心者の場合は、先に進む前にスーパーキャパシタの基本を学ぶことを強くお勧めします。
電力密度
スーパーキャパシターは、同じ定格のバッテリーよりも高い電力密度を持っています。市場にはさまざまな種類のバッテリーがありますが、たとえば、リチウムイオン、ポリマー、鉛蓄電池は、1000 Wh / kgから2000Wh / kgまでさまざまな電力密度を持っています。定格は、製造プロセスによっても大きく異なります。以下の比較表は、スーパーキャパシターとバッテリーの電力密度を示しています。
ただし、スーパーキャパシタの場合、電力密度は1kgあたり2500Whから1kgあたり45000Whまで変化します。これは、同じ定格のバッテリーの電力密度よりもはるかに大きいです。
電力密度が高いため、スーパーキャパシタは、より大きなピーク電流が必要な場合に役立つ電源です。
セル電圧
さまざまな種類のアプリケーションでは、多くの場合、入力電圧が大きな要因になります。明らかに、市場にはさまざまな種類の電圧レギュレータがありますが、それでも、レギュレータの両端の入力電圧はアプリケーションの重要な部分になりました。次の図は、同じ数のセルに対するスーパーキャパシタとバッテリの出力電圧を示しています。
たとえば、7812のようなリニア電圧レギュレータを使用するアプリケーションには、少なくとも15Vの入力が必要です。単一セルのリチウム電池は、最低充電条件で3.2ボルト、最高充電条件で4.2ボルトを供給します。したがって、入力電圧の仕様を補うために、直列接続で少なくとも5つのバッテリーが必要ですが、スーパーキャパシターは2.5ボルトから5.5ボルトの出力を提供できます。スーパーキャパシタは、一般的なリチウム電池の3.7Vと比較して、5.5Vの高いセル電圧を持っています。したがって、スーパーキャパシタの他の制限を無視して、回路設計者は3つの5.5ボルトのスーパーキャパシタを直列に選択できます。バッテリー上では、これは間違いなく、スペースの制約がある状況や目的のためのコスト最適化におけるスーパーキャパシターのプラスポイントです。
効率
効率の点では、スーパーキャパシターは、全負荷状態で60〜80％効率のバッテリーよりも95％効率的です。高負荷のバッテリーは熱を放散し、効率の低下につながります。また、バッテリー温度およびその他のパラメーターは、バッテリー管理システム（BMS）を使用して充電および放電中に監視する必要がありますが、スーパーキャパシターでは、このような厳密な監視システムは必要ない場合があります。ウルトラキャパシターとバッテリーの効率を下の図に示します。ただし、スーパーキャパシタは動作中に公称熱も発生することに注意してください。
再利用性と寿命
バッテリーの寿命は、充電と放電のサイクルに大きく依存します。リチウム電池と鉛蓄電池の場合、充電時間と放電時間は300〜500サイクルに制限されており、最大1000回になることもあります。充電と放電の状況がない場合の寿命リチウム電池は7年間続くことができます。
スーパーキャパシタはほぼ無限の充電サイクルを持ち、膨大な回数の充電と放電が可能です。それは1万ルピーから100万時間になる可能性があります。スーパーキャパシタの寿命も長いです。スーパーキャパシタは10-18年の間続くことができる鉛蓄電池は、わずか約3〜5年続くことができる一方で、。
放電電圧係数
バッテリーは比較的一定の出力電圧を提供します。ただし、スーパーキャパシタの出力電圧は、放電状態の間は低下します。したがって、バッテリを電源として使用する場合は、アプリケーションの要件に応じてバックレギュレータまたはブーストレギュレータを使用できますが、スーパーキャパシタを使用する場合は、入力電圧損失を補償するために広範囲のブーストコンバータを使用するのが一般的です。
充電時間
バッテリーが異なれば、使用する充電アルゴリズムも異なります。リチウムイオン電池の充電には、定電圧および定電流充電器が使用されます。充電器は、バッテリーの充電状態と温度を検出するように特別に構成する必要があります。鉛蓄電池の場合、トリクル充電方式が使用されます。
全体として、リチウムイオンや鉛蓄電池に関係なくバッテリーを充電するには、完全に充電されるまでに数時間かかります。スーパーキャパシタは、夕食の高速充電時間をしています。フル充電するには非常に短い時間が必要です。したがって、充電時間を非常に短くする必要があるアプリケーションでは、スーパーキャパシタは間違いなく同じ容量のバッテリに勝ちます。
費用
コストは、製品設計に関連する問題の重要なパラメータです。スーパーキャパシタは、バッテリーの代わりに使用する場合、コストのかかる代替手段です。バッテリーの同じ容量と比較すると、コストが10倍になるなど非常に高くなることがあります。
危険因子
リチウムまたは鉛蓄電池は、動作または充電状態で特別な注意または注意が必要です。特にリチウムイオン電池の場合、充電トポロジーは、電池が過充電されたり、電池が実際に受け入れることができるよりも大きな電流で充電されたりしないように構成する必要があります。これにより、バッテリーが過充電または大電流で充電されるたびに爆発のリスクが高まります。
充電状態だけでなく、放電時にバッテリーを注意深く操作する必要があります。深い放電状態は、バッテリーの寿命を損なう可能性があります。したがって、バッテリーが一定レベルの充電状態に達した後、バッテリーを負荷から切り離す必要があります。また、バッテリーの短絡は危険な状況です。
スーパーキャパシターは、上記のリスク要因の点でバッテリーよりも安全です。ただし、定格よりも高い電圧を使用してスーパーキャパシタを充電すると、スーパーキャパシタに害を及ぼす可能性があります。ただし、複数のコンデンサを充電する場合は、複雑な作業になる可能性があります。
ケーススタディ
10個の並列LEDを1時間点灯させたい状況を考えてみましょう。このアプリケーションでは、エンジニアとしてスーパーキャパシタまたはリチウム電池の使用を検討する必要があるかどうかを調べてみましょう。
LEDが2.5Vで30mAの電流を消費すると仮定しましょう。したがって、並列の10個のLEDのワット数は次のようになります。
2.5V x 0.03 x 10 = 0.75ワット
これで、3600秒である1時間の使用に対して、必要なエネルギーは次のように計算できます。
3600 x 0.75 = 2700ジュール。
我々は10F 2.5Vスーパーキャパシタを考慮すれば、それはEは1 / 2CV =保存できる2であります
½×10×2.5 2 = 31.25ジュール
したがって、同じ定格の並列に少なくとも85個のスーパーキャパシタが必要です。明らかに、この特定のアプリケーションでは、バッテリーが最初の選択肢になります。しかし、このアプリケーションが30秒間だけ同じ量の電力を必要とする特定のアプリケーションに変更された場合、スーパーキャパシタは非常に高速に充電でき、非常に長期間使用できるため、選択できます。
結論
上記の比較は、スーパーキャパシターを備えた特定のバッテリー（リチウムまたは鉛酸）間でのみ行われます。ただし、化学組成が異なるさまざまな電池があります。一方で、水性電解スーパーキャパシタやイオン液体スーパーキャパシタなどの化学組成の異なるスーパーキャパシタや、ハイブリッドおよび有機電解スーパーキャパシタも市場に出回っています。組成が異なれば、動作特性と仕様も異なります。
スーパーキャパシターは、バッテリーよりもアプリケーションの点ではるかに良い点があります。しかし、バッテリーに比べてマイナス面もあります。したがって、スーパーキャパシタの使用は、アプリケーションのタイプに大きく依存します。