Kondensatory mają szereg zalet. Na przykład magazynują energię w postaci ładunku elektrycznego, a nie energii chemicznej. To zazwyczaj pozwala na niemal natychmiastowe ładowanie i bardzo wysokie szczytowe prądy wyjściowe. Mogą przetrwać setki tysięcy cykli ładowania i rozładowania, zamiast setek cykli w przypadku akumulatorów o pełnym cyklu. W czym więc tkwi problem?
Bateria zapewnia dość stałe napięcie przez długi czas użytkowania. W zależności od urządzenia, mogą wystąpić problemy z wydajnością, gdy bateria jest bliska rozładowania. Na przykład smartfony przechodzą w tryb oszczędzania energii. Nie chodzi tylko o to, aby działały nieco dłużej, ale także o to, aby zapobiec ich nagłemu wyłączeniu bez ostrzeżenia.
Jak widać, napięcie spada, gdy bateria jest bliska wyczerpania. W Twoim telefonie znajduje się układ konwersji energii, będący częścią ogólnego systemu zarządzania energią, który przetwarza niezbyt stałą moc baterii na bardzo ściśle regulowaną moc systemową (prawdopodobnie kilka różnych napięć). Zauważ, że istnieje tu ważna zależność: moc = prąd ∗ napięcie. Aby utrzymać tę samą moc, gdy napięcie spada, mój układ musi pobierać więcej prądu.
Każda bateria ma niewielki opór wewnętrzny, a ze względu na inną zależność, zwaną prawem Ohma, wiadomo, że w baterii nastąpi spadek napięcia. Na rysunku Vout = V0−r∗I, gdzie I to natężenie prądu. Zatem, gdy moje V0 spada, a obwód zarządzania energią musi pobierać więcej prądu, aby dostarczyć tę samą moc, napięcie wyjściowe baterii spada jeszcze szybciej. Ogranicza to maksymalny prąd wyjściowy baterii, a także oznacza, że bateria dość szybko się rozładowuje, gdy jest bliska wyczerpania.
Jednak napięcie wyjściowe, prąd szczytowy i moc całkowita kondensatora spadają wykładniczo z upływem czasu. Kondensator ma jedną zaletę: magazynuje ładunek elektryczny, zamiast przekształcać go w ładunek chemiczny, jak w przypadku baterii, więc chociaż występuje rezystancja wewnętrzna, jest ona niewielka i zazwyczaj można ją zignorować. Kondensatory mogą generować bardzo, bardzo wysokie natężenie prądu przez krótki czas.
Ale jeśli chodzi o zasilanie, są problematyczne. Przypomnij sobie moje pragnienie utrzymania stałego poziomu mocy w moim systemie zarządzania energią, a mianowicie mocy = prądu ∗ napięcia. Gdy napięcie gwałtownie spada, musimy to zrekompensować szybko rosnącym prądem, aby dostarczyć tę samą moc. Bardzo wysokie prądy powodują znacznie droższy obwód, większe komponenty przetwarzania mocy, większe straty mocy na płytkach drukowanych itd. – ten sam podstawowy problem występuje w przypadku baterii pod koniec jej działania, tyle że zaczyna się to pojawiać bardzo wcześnie, w momencie wyczerpania się kondensatora. Wraz z rozładowywaniem się kondensatora, szczytowy prąd, choć wciąż stosunkowo wysoki, również spada.
Innym problemem jest to, że nowoczesne ultrakondensatory mają znacznie niższą energię właściwą niż akumulatory. Najlepsze ultrakondensatory na rynku osiągają 8-10 Wh/kg, większość z nich osiąga około 5 Wh/kg. Najlepsze akumulatory litowo-jonowe osiągają blisko 200 Wh/kg, a wiele ich formuł może osiągnąć ponad 100 Wh/kg. Zatem do użycia ultrakondensatorów potrzeba około 20-krotnie większej masy. Możliwe jednak, że nawet więcej, ponieważ w pewnym momencie rozładowania, w zależności od zastosowania, napięcie spadnie do poziomu uniemożliwiającego jego wykorzystanie, pozostawiając niewykorzystaną energię. Ponadto, w przeciwieństwie do bardziej tradycyjnych kondensatorów, ultrakondensatory mają stosunkowo wysoką rezystancję wewnętrzną. Dlatego nie są w stanie obsłużyć dużej zamiany napięcia na prąd.
Następnie mamy samorozładowanie: jak szybko energia „wycieka” z urządzenia magazynującego. Jedyne ogniwa NiMH są wytrzymałe, ale samorozładowanie sięga nawet 20–30% miesięcznie. Ogniwa litowo-jonowe redukują to do około <2% miesięcznie, w zależności od konkretnej technologii litowo-jonowej, a w niektórych systemach nawet do 3%, w zależności od obciążenia monitorującego baterię. Dzisiejsze ultrakondensatory tracą nawet 50% naładowania w pierwszym miesiącu. Może to nie mieć znaczenia w urządzeniu ładowanym codziennie, ale zdecydowanie ogranicza możliwości zastosowania kondensatorów w porównaniu z bateriami, przynajmniej do czasu opracowania lepszych konstrukcji.
A ponieważ potrzeba ich tak wiele, obecny koszt ultrakondensatorów może być 6-20 razy wyższy niż koszt baterii. Jeśli Twoja aplikacja wymaga bardzo małej mocy wyjściowej, szczególnie przy bardzo krótkich skokach prądu, ultrakondensatory mogą być dobrym rozwiązaniem. W przeciwnym razie nie będzie to wymiana baterii w najbliższej przyszłości.
W przypadku zastosowań wysokoprądowych, takich jak samochody elektryczne, nie jest to jeszcze zbyt użyteczne rozwiązanie, jako samodzielne. Chociaż systemy wykorzystujące zarówno ultrakondensatory, jak i akumulatory mogą być atrakcyjne, ponieważ ich różnice są bardzo komplementarne, wysoki transfer prądu i długa żywotność kondensatora w porównaniu z wysoką gęstością energetyczną/energetyczną akumulatora. Trwają też intensywne prace nad stworzeniem znacznie lepszych ultrakondensatorów, a także znacznie lepszych akumulatorów. Być może pewnego dnia ultrakondensatory przejmą więcej typowych zadań związanych z akumulatorami.
artykuł z: https://qr.ae/pCacU0
Czas publikacji: 06-01-2026