超级电容器与电池的区别比较

关于超级电容器将在未来主导电池市场的争论已久。几年前，当超级电容器问世时，人们大肆宣传它，许多人预计它会取代商用电子产品甚至电动汽车中的电池。但是，实际上并没有发生这样的事情，因为超级电容器和电池彼此完全不同，它们都有自己的应用。

有趣的事实：几乎所有现代安全气囊控制器都由超级电容器供电，因为它们的响应时间比电池快。

与电池相比，超级电容器或超级电容器是一种高密度的能源或存储，具有短时间跨度的巨大电容。在本文中，我们将讨论超级电容器与电池（锂/铅酸）的各种参数，并以一个案例研究结束，让工程师了解在哪里可以为他的应用选择超级电容器而不是电池。如果您是超级电容器的新手，那么强烈建议您在继续之前学习超级电容器的基础知识。

功率密度

超级电容器具有比相同额定电池高的功率密度。尽管市场上有不同种类的电池，例如锂离子、聚合物、铅酸电池，其功率密度不同，从 1000 Wh/kg 到 2000 Wh/kg。评级也可能因制造过程而有很大差异。下面的比较图显示了超级电容器与电池的功率密度。

但是，对于超级电容器，功率密度从 2500 Wh/kg 到 45000 Wh/kg 不等。这远大于相同额定电池的功率密度。

由于高功率密度，超级电容器是需要更大峰值电流的有用电源。

电池电压

在不同类型的应用中，输入电压通常是一个很大的因素。显然，市场上有不同种类的稳压器，但稳压器上的输入电压仍然是应用的重要组成部分。下图显示了相同数量电池的超级电容器与电池的输出电压。

例如，具有线性稳压器（如 7812）的应用至少需要 15V 输入。单节锂电池在最低充电条件下提供 3.2 伏特，在最高充电条件下提供 4.2 伏特。因此，为了补偿输入电压规格，至少需要串联 5 节电池，但超级电容器可以提供 2.5 伏至 5.5 伏的输出。与典型锂电池的 3.7V 相比，超级电容器具有 5.5V 的高电池电压。因此，忽略超级电容器的其他限制，电路设计人员可以选择三个串联的 5.5 伏超级电容器。在电池方面，这无疑是超级电容器在空间受限情况或成本优化方面的优势。

效率

在效率方面，超级电容器的效率比满载条件下 60-80% 的电池高 95%。高负载的电池会散发热量，导致效率低下。此外，在充电和放电期间应使用电池管理系统 (BMS)监控电池温度和其他参数，而在超级电容器中可能不需要这种严格的监控系统。超级电容器与电池的效率如下图所示。但是，应该注意的是，超级电容器在运行过程中也会产生标称热量。

可重用性和使用寿命

电池的寿命高度依赖于充电和放电周期。对于锂电池和铅酸电池，充放电次数限制在300到500次循环，有时最多可达1000次。锂电池无充放电情况寿命可达7年。

超级电容器几乎有无限的充电循环，可以进行大量的充放电；它可以从 10 万到 100 万次。超级电容器的寿命也很长。超级电容器可以使用10-18 年，而铅酸电池只能使用 3-5 年左右。

放电电压因数

电池提供相对恒定的输出电压。但在放电条件下，超级电容器的输出电压会降低。因此，在使用电池作为电源时，可以根据应用要求使用降压或升压调节器，但在使用超级电容器时，使用宽范围升压转换器来补偿输入电压损失是一种流行的选择。

充电时间

不同的电池使用不同的充电算法。使用恒压和恒流充电充电器为锂离子电池充电。充电器需要特别配置以检测电池的充电情况以及温度。对于铅酸电池的情况，使用涓流充电方法。

总体而言，无论锂离子或铅酸电池如何充电，都需要数小时才能充满电。超级电容器具有超快的充电时间；充满电需要很短的时间。因此，对于要求充电时间非常短的应用，超级电容器绝对胜过同等容量的电池。

成本

成本是产品设计相关问题的重要参数。当使用超级电容器代替电池时，超级电容器是一种昂贵的替代品。与相同容量的电池相比，成本有时会变得非常高，例如高出 10 倍。

风险因素

在运行或充电条件下，锂或铅酸电池需要特别小心或注意。尤其是对于锂离子电池，充电拓扑结构需要配置为电池不应过度充电或以高于电池实际可接受的电流容量进行充电。每当电池过度充电或以高电流充电时，这都会增加爆炸的风险。

不仅在充电状态下，电池在放电情况下也需要小心操作。深度放电条件可能会损坏电池寿命。因此，电池达到一定程度的充电状态后，需要将其与负载断开。此外，电池短路也是一种危险情况。

就上述风险因素而言，超级电容器比电池更安全。然而，使用高于其额定值的电压为超级电容器充电可能对超级电容器有害。但是，当为多个电容器充电时，它可能会变得很复杂。

案例分析

现在考虑一种情况，我们想要点亮 10 个并行LED 1 小时。对于这个应用，让我们来分析下，应该考虑使用超级电容器还是锂电池？

假设LED 在 2.5V 时消耗 30mA 电流。因此，并联 10 个 LED 的功率为

2.5V x 0.03 x 10 = 0.75 瓦

现在，对于 1 小时的使用时间，即 3600 秒，所需的能量可以计算为

3600 x 0.75 = 2700 焦耳。

如果我们考虑一个 10F 2.5V 超级电容器，它可以存储 E = 1/2CV 2即

½ x 10 x 2.5 2 = 31.25焦耳

因此，需要至少85个具有相同额定值的超级电容器并联。显然在这个特定的应用中电池将是首选。但是如果这个应用变成了一个特定的应用，同样的电量只需要 30 秒，超级电容器可以成为一个选择，因为它可以非常快速地充电并且可以使用很长时间。

结论

上述比较仅在具有超级电容器的特定电池（锂或铅酸）之间进行。但是，有不同的电池具有不同的化学成分。另一方面，市场上也有不同化学成分的超级电容器，例如水系电解超级电容器或离子液体超级电容器，以及混合和有机电解超级电容器。不同的成分具有不同的工作特性和规格。

超级电容器在应用方面比电池有更多的积极意义。但是，与电池相比，它也有不利的一面。因此，超级电容器的使用高度依赖于应用类型。

本文由IC先生网www.mrchip.cn编辑整理，请勿转载。图片来源网络，如有侵权请联系删。