하이브리드 슈퍼커패시터는 에너지 저장 대안을 제공합니다

충전식 배터리와 슈퍼커패시터는 각각 장단점이 있지만 두 기술을 단일 구조로 병합하는 하이브리드 설계는 각각의 많은 한계를 극복할 수 있습니다.

EDLC(전기 이중층 커패시터)(가장 흔히 "수퍼커패시터", 때로는 "울트라커패시터"라고도 함)는 놀라운 수동 에너지 저장 부품입니다. 다중 패럿의 높은 정전 용량과 작은 크기의 결과로 부피와 무게 모두에서 고밀도 에너지 저장을 제공합니다. 일부 원격 감지, IoT 및 에너지 수확 소스 애플리케이션에서 슈퍼캡은 충전식 배터리의 대안입니다. 다른 상황에서는 전기화학 기반 에너지 저장 구성 요소의 일부 약점을 극복하기 위해 배터리와 함께 사용됩니다. 어느 하나가 다른 것보다 본질적으로 더 낫다는 것이 아닙니다. 대신 슈퍼캡과 충전식 배터리(화학에 관계없이)는 각각 상대적인 강점과 약점을 가지고 있습니다. 응용 프로그램의 우선 순위에 따라 어떤 것이 가장 타당한지 또는 둘 다 일종의 직렬 배치에 필요한지 결정됩니다.

하이브리드 슈퍼커패시터라는 두 개의 개별 구성 요소로 하나만 또는 둘 다를 선택하는 것에 대한 또 다른 흥미로운 대안이 있습니다. 이 에너지 저장 장치는 충전식 배터리와 슈퍼캡의 명백한 공동 패키징이 아닙니다. 대신 단일 어셈블리가 슈퍼캡과 리튬 이온 배터리인 동시에 그림 1인 독특한 구조를 사용합니다(자세한 내용은 참고 자료 참조).

그림 1:하이브리드 슈퍼커패시터의 구조에 대한 이 최상위 뷰는 단일 2단자 패키지를 공유하는 슈퍼캡과 배터리가 아님을 보여줍니다. (이미지 출처:Taiyo Yuden)

이러한 하이브리드 슈퍼캡의 공급업체 중에는 Taiyo Yuden(이 회사는 기술적으로 매우 정확한 리튬 이온 슈퍼커패시터라고 부름), Eaton 및 Maxwell Technologies, Inc.(현재 Tesla의 일부)가 있습니다.

표준 슈퍼캡과 리튬 이온 충전식 배터리를 비교한 많은 게시된 표가 있습니다(표 1). 각 리소스와 공급업체는 예상대로 다른 관점을 가지고 있으며 기술 자체가 빠른 속도로 발전하고 있음을 명심하십시오.

표 1:슈퍼커패시터와 리튬 이온 충전지의 최상위 특성을 비교한 것입니다. 각각은 정보 소스와 타이밍에 따라 다른 항목 집합을 가질 수 있습니다. (이미지 출처:Maxwell Technologies, Inc., Battery University 제공)

이러한 하이브리드 슈퍼캡의 명백한 장점에도 불구하고, 저는 일반적으로 하이브리드 장치 및 구조에 대해 항상 엇갈린 감정을 가지고 있었습니다. 한편으로 두 가지 기술 또는 재료를 결합하면 종종 각각의 최고의 측면을 유지하면서 몇 가지 약점을 극복할 수 있습니다. 이것은 전자 제품에만 적용되는 것은 아닙니다. 철근으로 보강된 콘크리트나 최신 항공기 본체 및 부속 장치의 외피로 사용되는 탄소 섬유 강화 폴리머(CFRP)를 생각해 보십시오.

동시에 이러한 조합에는 때때로 새로운 단점이 있습니다. 예를 들어, 다기능 테스트 장비는 단일 목적의 최적화된 장치에 비해 사양이 감소하거나 일부 유연성 제한이 있을 수 있습니다. 널리 알려진 "스위스 군용 칼"은 비전기적 예입니다. 각 개별 도구는 "충분히 괜찮지만" 전용 도구만큼 좋지는 않습니다. 그럼에도 불구하고 전체적인 블레이드/액세서리 조합 및 포장은 크기, 무게 및 비용면에서 이점을 제공합니다.

하이브리드 슈퍼캡의 경우 관리 문제도 있습니다. 리튬 이온 충전식 배터리는 충전 및 방전 속도, 쿨롱 계산 및 온도(몇 가지 요소를 인용하기 위해)에 대한 감독과 관련하여 특정 요구 사항이 있으며 슈퍼캡에는 자체적으로 비교할 수 있는 목록이 있습니다. 그렇다면 하이브리드 슈퍼캡은 어떻게 관리해야 할까요? 전술이 상충될까요? 아니면 단일 접근 방식이 2-터미널 하이브리드에 작동할 수 있을 정도로 충분히 유사합니까?

터널 다이오드에 대해 생각합니다. 매력적인 성능 특성에도 불구하고 뚜렷한 입출력 접지 연결이 없는 2단자 장치로서 실제로 사용하기가 상당히 어려웠고 그래서 선호도가 떨어졌습니다. PIN 다이오드의 경우에도 마찬가지입니다(일부 애플리케이션 회로도 참조). 슈퍼캡 백업 애플리케이션에 최적화된 2.5V ~ 5.5V, 3A 가역 벅/부스트 레귤레이터인 최근 출시된 Maxim MAX38889와 같은 IC가 두 가지 모두에 충분히 잘 작동할까요? (그림 2)

그림 2:MAX38889는 특히 슈퍼커패시터 관리를 대상으로 합니다. 회로에 배터리가 있을 수도 있습니다. (이미지 출처:Maxim Integrated Products)

주어진 문제에 대해 하이브리드 솔루션을 사용할지 여부를 결정하는 데는 종종 평가하기 어려운 절충안의 무게가 포함됩니다. 각 구성 요소가 다른 구성 요소의 하나 이상의 단락을 극복하는 명백한 이점 외에도 새로운 약점이 도입되는 경우가 많습니다.

슈퍼캡 하이브리드를 사용하는 것이 합리적입니까? 대답은 간단합니다. 상황에 따라 다릅니다. 어떤 경우에는 응용 프로그램에서 새로운 단점을 수용할 수 없는 반면, 다른 경우에는 새로운 이점이 단점을 능가합니다. 정량적으로 모델은 "1 +1 <, =또는> 2입니까?" 방정식을 풀 수 있어야 합니다. 그러나 솔루션이 생성하는 격차도 평가해야 합니다.

하이브리드 — 결합 또는 병합 — 솔루션(하이브리드 슈퍼캡 뿐만 아니라)에 대한 귀하의 경험은 무엇입니까? 전반적인 이득이 추가된 단점보다 더 중요했습니까? 하이브리드 접근 방식의 장점과 단점 사이의 균형을 어떻게 판단하십니까?

참조
Eaton, "하이브리드 슈퍼커패시터 설명"

Eaton, "HS 하이브리드 슈퍼커패시터 백서"

배터리 대학, "BU-209:슈퍼커패시터는 어떻게 작동합니까?"

Taiyo Yuden, "리튬 이온 커패시터:궁극적인 EDLC 대체품"

Taiyo Yuden, “축전 장치:리튬 이온 커패시터; 전기 이중층 커패시터”

Tech Briefs, "성능 및 효율성 향상을 위해 하이브리드로 이동하는 슈퍼커패시터"

>> 이 기사는 원래 자매 사이트인 EE에 게시되었습니다. 시간.

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