Конденсаторы обладают рядом замечательных свойств. Во-первых, они накапливают энергию в виде электрического заряда, а не химической энергии. Это обычно позволяет осуществлять практически мгновенную зарядку и получать очень высокие пиковые выходные токи. Они могут выдерживать сотни тысяч циклов зарядки-разрядки, в отличие от сотен циклов, которые выдерживают полностью изношенные батареи. Так в чем же проблема?
Батарея обеспечивает относительно стабильное напряжение в течение длительного срока службы. В зависимости от устройства, при разрядке могут возникать проблемы с производительностью. Смартфоны, например, переходят в режим энергосбережения. Это делается не только для того, чтобы продлить время работы, но и для предотвращения внезапного отключения без предупреждения.
Как видите, напряжение падает по мере приближения батареи к разряду. В вашем телефоне есть схема преобразования энергии, являющаяся частью общей системы управления питанием, которая преобразует не очень постоянную мощность батареи в очень точно регулируемую мощность системы (вероятно, набор различных напряжений). Обратите внимание на важную взаимосвязь: мощность = ток * напряжение. Поэтому, чтобы поддерживать ту же мощность, по мере падения напряжения, моей схеме приходится потреблять больший ток.
Каждая батарея имеет небольшое внутреннее сопротивление, и благодаря другому соотношению, называемому законом Ома, вы знаете, что в батарее будет некоторое падение напряжения. На рисунке Vout = V0 − r * I, где I — ток. Таким образом, по мере падения V0 и увеличения потребляемого тока схемой управления питанием для обеспечения той же мощности, выходное напряжение батареи падает еще быстрее. Это ограничивает максимальный выходной ток батареи, а также означает, что она довольно быстро разряжается, когда почти полностью исчерпана.
Однако выходное напряжение, пиковый ток и общая мощность конденсатора экспоненциально снижаются со временем. У конденсатора есть одно преимущество: он накапливает электрический заряд, а не преобразует его в химический, как в батарее, поэтому, хотя внутреннее сопротивление и присутствует, оно очень мало и обычно им можно пренебречь. Конденсаторы могут обеспечивать очень, очень высокие токи в течение короткого времени.
Но для питания устройств они проблематичны. Вспомните мое желание поддерживать постоянное напряжение в моей системе управления питанием, и что мощность = ток * напряжение. Поскольку напряжение быстро падает, нам приходится компенсировать это быстро возрастающим током, чтобы обеспечить ту же мощность. Очень высокие токи приводят к значительному удорожанию схемы, увеличению размеров компонентов преобразования энергии, большим потерям мощности на печатных платах и т. д. Та же основная проблема, что и у батареи ближе к концу срока службы, только это начинает происходить очень рано в процессе полезного использования конденсатора. И по мере разрядки конденсатора пиковый ток, хотя и остается относительно высоким, также падает.
Другая проблема заключается в том, что современные суперконденсаторы имеют гораздо меньшую удельную энергию, чем батареи. Лучшие суперконденсаторы на рынке обеспечивают 8-10 Вт·ч/кг, большинство — около 5 Вт·ч/кг. Лучшие литий-ионные батареи обеспечивают около 200 Вт·ч/кг, многие составы могут достигать более 100 Вт·ч/кг. Таким образом, для использования суперконденсаторов требуется примерно в 20 раз больший вес. А возможно, и больше, поскольку в какой-то момент разряда, в зависимости от области применения, напряжение упадет слишком низко, чтобы его можно было использовать, оставляя неиспользованную энергию. Кроме того, в отличие от более традиционных конденсаторов, суперконденсаторы также имеют относительно высокое внутреннее сопротивление. Поэтому они не обязательно могут обеспечивать значительный обмен напряжения на ток.
Затем следует саморазряд: насколько быстро энергия «утекает» из накопителя. Только никель-металлгидридные (NiMh) элементы отличаются прочностью, но саморазряд может достигать 20–30% в месяц. Литий-ионные элементы снижают этот показатель до <2% в месяц в зависимости от конкретной технологии, возможно, до 3% в некоторых системах в зависимости от нагрузки на мониторинг батареи. Современные ультраконденсаторы теряют до 50% заряда в первый месяц. Это может не иметь значения для устройства, которое заряжается ежедневно, но это определенно ограничивает области применения конденсаторов по сравнению с батареями, по крайней мере, до тех пор, пока не будут созданы более совершенные конструкции.
А поскольку их требуется очень много, текущая стоимость ультраконденсаторов может быть в 6-20 раз выше стоимости батарей. Если вашему приложению требуется очень малая выходная мощность, особенно при очень коротких скачках высокого тока, ультраконденсатор может быть подходящим вариантом. В противном случае, в ближайшем будущем он не заменит батареи.
Для сильноточных применений, таких как электромобили, в качестве самостоятельного решения это пока не очень целесообразно. Хотя системы, использующие как ультраконденсаторы, так и батареи, могут быть привлекательными, поскольку их различия очень дополняют друг друга: высокая передача тока и длительный срок службы конденсатора против высокой удельной энергии/плотности энергии батареи. И сейчас ведётся огромная работа по созданию гораздо лучших ультраконденсаторов, а также гораздо лучших батарей. Так что, возможно, когда-нибудь ультраконденсатор возьмёт на себя больше типичных функций батареи.
Статья взята с сайта: https://qr.ae/pCacU0
Дата публикации: 06.01.2026