למה אי אפשר להשתמש בקבלים גדולים במקום בסוללות?

לקבלים יש מספר תכונות נהדרות. הם אוגרים חשמל כמטען חשמלי ולא כאנרגיה כימית, למשל. זה בדרך כלל מאפשר זמני טעינה כמעט מיידיים וזרמי שיא גבוהים מאוד. הם יכולים לשרוד מאות אלפי מחזורי טעינה-פריקה, במקום מאות מחזורים כמו בסוללות שנטענות במלואן. אז מה הבעיה?

סוללה מספקת מתח קבוע למדי לאורך חיים שימושיים ארוכים. בהתאם למכשיר, ייתכנו בעיות ביצועים הקרובות להתרוקנות. טלפונים חכמים, לדוגמה, נכנסים למצב חיסכון בחשמל. זה לא רק כדי לשמור עליהם פועלים קצת יותר זמן, אלא כדי למנוע כיבוי מיידי ללא אזהרה.

כפי שאתם יכולים לראות, המתח יורד ככל שהסוללה מתקרבת להתרוקנות. בטלפון שלכם, יש מעגל המרת מתח, חלק מניהול צריכת החשמל הכולל, שפועל להמיר מתח סוללה שאינו קבוע במיוחד להספק מערכת מווסת היטב (כנראה חבורה של מתחים שונים). שימו לב שיש כאן קשר חשוב: מתח=זרם*מתח. אז כדי לשמור על אותו הספק, ככל שהמתח יורד, המעגל שלי צריך למשוך יותר זרם.

לכל סוללה יש התנגדות פנימית קטנה, ובגלל קשר נוסף, הנקרא חוק אוהם, ידוע שתהיה ירידה מסוימת במתח בסוללה. בציור, Vout=V0−r*I, כאשר I הוא הזרם. לכן, ככל ש-V0 יורד ומעגל ניהול צריכת החשמל שלי צריך למשוך יותר זרם כדי לספק את אותו הספק, מתח המוצא של הסוללה יורד אפילו מהר יותר. זה הגביל את תפוקת הזרם המקסימלית של סוללה, וזה גם אומר שהן נושרות די מהר כשהן כמעט מתרוקנות.

אבל מתח המוצא, זרם השיא וההספק הכולל בקבל יורדים באופן אקספוננציאלי עם הזמן. לקבל יש יתרון אחד: הוא אוגר מטען חשמלי, במקום להמיר מטען חשמלי למטען כימי כמו בסוללה, כך שבעוד שיש התנגדות פנימית, היא זעירה ובדרך כלל ניתן להתעלם ממנה. קבלים יכולים לספק זרמים גבוהים מאוד מאוד לזמן קצר.

אבל כדי להפעיל משהו, הם בעייתיים. נזכיר את הרצון שלי לשמור על צריכת חשמל קבועה במערכת ניהול החשמל שלי, ושההספק = זרם*מתח. ככל שהמתח שלנו יורד במהירות, עלינו להשלים אותו עם זרם שעולה במהירות כדי לספק את אותה ההספק. זרמים גבוהים מאוד גורמים למעגל יקר בהרבה, רכיבי המרת הספק גדולים יותר, אובדן הספק רב יותר בלוחות המעגלים וכו'... אותה בעיה בסיסית שיש לסוללה לקראת הסוף, רק שזה מתחיל לקרות מוקדם מאוד בחיי אחסון ההספק השימושיים של הקבל. וככל שהקבל מתרוקן, זרם השיא, למרות שהוא עדיין גבוה יחסית, יורד גם הוא.

הבעיה השנייה היא שלקבלים מודרניים יש אנרגיה ספציפית נמוכה בהרבה מאשר לסוללות. קבלי האולטרה-קפסולות הטובים ביותר בשוק מצליחים לספק 8-10 וואט-שעה/ק"ג, רובם דומים יותר ל-5 וואט-שעה/ק"ג. סוללות הליתיום-יון הטובות ביותר מספקות קרוב ל-200 וואט-שעה/ק"ג, ותכשירים רבים יכולים להגיע ליותר מ-100 וואט-שעה/ק"ג. לכן, כדי להשתמש בקבלים אלו צריך משקל של פי 20 בערך. אבל אולי אפילו יותר, מכיוון שבשלב מסוים במהלך הפריקה, תלוי ביישום, המתח יירד נמוך מדי מכדי שיהיה שמיש, וישאיר את החשמל ללא ניצול. כמו כן, בניגוד לקבלים מסורתיים יותר, לקבלים אלו יש גם התנגדות פנימית גבוהה יחסית. לכן הם לא בהכרח יכולים לתמוך בחילוף מתח רב בזרם.

ואז יש את נושא הפריקה העצמית: כמה מהר "דולף" חשמל מהתקן אחסון. תאי ה-NiMh היחידים עמידים, אך פריקה עצמית גבוהה של 20-30% לחודש. תאי ליתיום-יון מפחיתים זאת לפחות מ-2% לחודש, תלוי בטכנולוגיית הליתיום-יון הספציפית, אולי 3% במערכות מסוימות, תלוי בעלויות ניטור הסוללה. קבלי-על של ימינו מאבדים עד 50% טעינה בחודש הראשון. זה אולי לא משנה במכשיר שנטען מדי יום, אבל זה מגביל לחלוטין את מקרי השימוש עבור קבלים לעומת סוללות, לפחות עד שייווצרו עיצובים טובים יותר.

ומכיוון שאתם צריכים כל כך הרבה, העלות הנוכחית של אולטרה-קבלים יכולה להיות פי 6-20 מעלות הסוללות. אם היישום שלכם זקוק להספק קטן מאוד, במיוחד עם נחשולי זרם גבוהים קצרים מאוד, קבל האולטרה-קאפ עשוי להיות אופציה. אחרת, הוא לא יתאים לסוללה בעתיד הקרוב.

עבור יישומים בעלי זרם גבוה כמו מכוניות חשמליות, עדיין לא שיקול שימושי במיוחד, כעצמאי. למרות שמערכות המשתמשות גם בקבלי אולטרה-קאפ וגם בסוללות יכולות להיות משכנעות, מכיוון שההבדלים ביניהן משלימים מאוד, העברת הזרם הגבוהה ואורך החיים הארוך של הקבל לעומת האנרגיה/צפיפות האנרגיה הסגולית הגבוהה של הסוללה. ויש המון עבודה שנעשית כדי לספק קבלי אולטרה-קאפ טובים בהרבה, כמו גם סוללות טובות בהרבה. אז אולי יום אחד האולטרה-קאפ יקבל על עצמו יותר מתפקידי הסוללה האופייניים.

מאמר מאתר: https://qr.ae/pCacU0