Super Capacitors VS Batteries και εφαρμογές

 Οι μπαταρίες στην Φυσική ανήκουν στο φαινόμενο του πυκνωτή , αλλά θεωρητικά δεν υπάρχει χημική αλλοίωση ούτε ηλεκτρόλυση
όπως συμβαίνει στους συσσωρευτές οι οποίοι έχουν βέβαια χιλιάδες φορές μεγαλύτερη ενέργεια στον ίδιο όγκο και βάρος.
Τις θεμελιώδεις αρχές μπορείτε να τις διαβάσετε στην θεωρία Φυσικής , εγώ θα επικεντρωθώ στους Super Capacitors που έχουν
φτάσει σε τιμές χιλιάδων Farad χωρητικότητας και έχουν ενδιαφέρον σε κάποιες εφαρμογές που οποιοδήποτε συσσωρευτής / 
μπαταρία αδυνατεί προς το παρόν να ξεπεράσει αυτές τις μοναδικές ιδιότητες που έχουν και είναι :
- Απίστευτα υψηλά ρευματα σε τιμές άνω των 1000 Farad καθότι η εσωτερική τους αντίσταση είναι κοντά στο 0.001 Ωμ 
- Κανονική λειτουργία στους -40 °C , που κανένας συσσωρευτής δεν μπορεί να λειτουργήσει με ικανό ρευμα.
- Απεριόριστοι θεωρητικά κύκλοι εκφόρτισης , τυπικά άνω του 1.000.000 φορές

Εκ πρώτης όψεως φαίνεται η μοναδική εφαρμοφή τους , που είναι η εκκίνηση κινητήρων σε πολικές συνθήκες -40 °C και η 
δυνατότητά τους να δώσουν ρευματα σε αυτούς άνω των 1000 Αμπέρ που ξεκινούν και το πιο βαρύ όχημα του κόσμου.
Οπότε εμφανής εφαρμογή σαν jump starter ή σταθεροποιητής πχ 12-βολτης μπαταρίας παράλληλα όπου οι Super Capacitors θα 
αναλάβουν τα απότομα υψηλά ρευματα μίζας ή τα peak current Sub Woofer για car Audio των KW.
Εξαιρετική εφαρμογή ανά ζευγάρι 2,7V είναι σε ηλεκτροπόντες πάνω από 1000 Αμπέρ παράλληλα με ένα συμβατικό τροφοδοτικό
<40Α ή σε Li-Po μπαταρία φορητού συστήματος. 

Θα επικεντρωθώ σε ένα must σύστημα που μπορείται νάχετε στο όχημά σας παράλληλα με την μπαταρία 12V μολύβδου ή ότι ειδικά σε άτομα που ασχολούνται με χειμερινή διαβίωση και ταξιδευουν σε περιοχές με πολύ χαμηλές θερμοκρασίες να μην τους απασχολήσει ποτέ η εκκίνηση του κινητήρα του SUV / τζίπ τους.
Οι μπαταρίες Μολύβδου ή στην καλύτερη Li-Fe-Po4 που μπορείτε νάχετε νορμάλ στο όχημά σας , κάτω από τους -15  °C αδρανοποιούνται τόσο πολύ που η εσωτερική τους αντίσταση (sag) γίνεται τόσο μεγάλη που το max ρευμα τους μειώνεται 10 φορές και δεν μπορούν να δώσουν ρευμα μίζας για εκκίνηση κινητήρα και μένετε μέσα στα χιόνια ...

Μπορείτε λοιπόν να βάλετε 6 Χ 2.7V στοιχεία super capacitors των 3000 Farad με τα balance BMS στη σειρά ( 16V max) σε μία συσκευασία και να συνδεθεί παράλληλα με την υπάρχουσα μπαταρία του οχήματος.

Το pack 6 Maxwell 16V 500 Farad φαίνεται παρακάτω

 

Η Maxwell δίνει για αυτή την συστοιχία 1900Α max και 18Wh (3 ανά στοιχείο) αλλά μπορούμε να υπολογίσουμε και από μόνοι μας τα αμπερώρια από την ενέργεια που σώζεται στα στοιχεία σε Joules και μετά με την βάση χρόνου μιάς ώρας δηλ 3600 sec.
Ah ≈ (0.5 * C * V) / 3600
Όπου  C σε Farads συστοιχίας = 3000/6 , V την τάση της συνδεσμολογίας 16V , και 3600 μετατροπή σε ώρες.

(0.5*500*16)/3600 = 1111 mAh , αστεία χωρητικότητα 1,11 Ah σε σχέση με την μπαταρία που φοράει το όχημα 1/100 αλλά τα πάνω από 1000Α σε οποιαδήποτε θερμοκρασία και ανεξάρτητα της κατάστασης χωρητικότητας της κυρίως μπαταρίας είναι τεράστιο asset.. 

 

Σαρωτική εξέλιξη 21700 Li-Ion

To 2025 παρατηρήθηκε σαρωτική εξέλιξη στις μπαταρίες 21700 Li-Ion , λόγω της χρήσης τους σε ηλεκτρικά αυτοκίνητα και ειδικά στις πολεμικές επιχειρήσεις με Drone λόγω Ουκρανικού πολέμου , έχουν αναπτυχθεί απίστευτα και ειδικά η νέα γενιά Κινέζικων 21700 P45 & P50 EVE & Molicer εχουν εσωτερική αντίσταση μικρότερη των 10mΩ.

Λίγα χρόνια πρίν , έχοντας ένα ισχυρό φακό πχ με το SBT90.2 που χαλαρά για τα 6000 Lumen χρειάζεται 20Α ρεύμα στα 3,5V , ηταν υποχρεωτικό να χρησιμοποιηθούν 4 μπαταρίες 18650 ή 2-4 21700 , ενώ σήμερα που υπάρχουν buck drivers 20A , η μόνη επιλογή μονής μπαταρίας ήταν 21700 και μόνο μία μπορούσε τότε να δώσει πραγματικά 20Α και να κρατήσει την τάση των 3,6 volt και ήταν η Samsung INR21700-30T 35Α 3000mAh P30 γενιά.

Σήμερα Υπάρχει μια σαρωτική P50 γενιά 21700 (μέχρι P65 έχουν φτάσει) που και 5000mAh δίνουν αλλά και εκφορτίζονται και με απίστευτα ρευματα 50-100Α χωρίς να υπερθερμαίνονται λόγω της εξαιρετικά χαμηλής εσωτερικής αντίστασης , όπως η Molicer & EVE , Κινέζικες νέας γενιάς που σαρώνουν.

 Παρουσιάζω παρακάτω το γράφημα μιας νεας εξαιρετικής μπαταρίας που προς το παρόν χρησιμοποιείται για τα καμικάζι πολεμικά drones , την P50 EVE INR21700 5000mAh 125A σε καμπύλη σταθερής και συνεχόμενης εκφόρτισης στα 20Α για την παραπάνω εφαρμογή σε φακό SBT90.2 μονής 21700 με buck driver 20A.

 Παρατηρήστε ότι μέχρι το 50% της εκφόρτισής της στα 20Α διατηρεί την τάση στα 3,6V που είναι και η μέση τάση εκφόρτισής της στα 20Α , ιδανική για το SBT90.2 6000 Lumen που απαιτεί 3.6V min.
Η θερμοκρασία στο τέλος της ισχυρής εκφόρτισης ήταν μόνο 45 βαθμοί με απόδοση 4667 mAh (18,5 Wh) από τα 5000 mAh που σε χαμηλότερο ρευμα τα δίνει όλα.

Για να καταλάβετε τον βαθμό εξέλιξης αυτής της μπαταρίας , κοιτάξτε το γράφημα σύγκρισης με την γνωστή ισχυρότερη ως τώρα Samsung INR21700-30T , πάντα για δυο μπαταρίες ίδιου μεγέθους και βάρους.

Στο γράφημα θα παρατηρήσετε ότι η μέση τιμή εκφόρτισης της Samsung είναι 3,45V στα 20Α από τα 3,6V της EVE , αρα η Samsung μόνο μέχρι το 80% της χωρητικότητάς της μπορεί να τροφοδοτήσει τον προαναφερόμενο φακό στα 20Α μετά αρχίζει η εμφανής σταδιακή μείωση της φωτεινότητας του Led.

Η επόμενη και τελευταία μπαταρία 21700 που μπορεί να ανταπεξέλθει στα συνεχόμενα υψηλά ρευματα άνω των 20Α χωρίς να υπερθερμαίνεται και να γονατίζει είναι η γενιά P45E Molicel INR21700 4350mAh 40A συνεχόμενης λειτουργίας , η σχετικά πιο τίμια μπαταρία που θα δώσει και σε μεγάλα ρευματα τα αμπερώρια που αναγράφει ακόμα και στα 20 συνεχόμενα αμπέρ που έκανα το παρακάτω review και γράφημα δίνει 4200 mAh από τα επίσημα 4350 που ποτέ καμία μπαταρία δεν ανταποκρίθηκε σε μικρότερη από 20% απώλεια της εργοστασιακής χωρητικότητας σε υψηλά ρευματα ! 

Εδώ η μέση τάση εκφόρτισης είναι 3,5V , δίνει στο τέλος της εκφόρτισης 4250 mAh (14,9 Wh) και μία νορμάλ θερμοκρασία 50 βαθμούς κελσίου , μία άκρως τίμια πανίσχυρη 21700 Li-Ion μπαταρία.

Πιο κάτω έχω το συγκρητικό διάγραμμα μεταξύ αυτής και του θερίου EVE για να πάρετε μία ιδέα απο τις επιδόσεις των δύο κορυφαιων 21700 αυτή τη στιγμή για υψηλά ρευματα turbo λειτουργίας.

Δεν υπάρχει καμία 21700 ή 26650 να πλησιάζει τις επιδόσεις και τα ρευματα αυτών των δύο μπαταριών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν από ηλεκτρικά σκούτερ μέχρι inverter σε συστοιχίες μιας και έχουν και φυσιολογικές τιμές.
Βέβαια υπάρχουν και πολλές άλλες αξιόλογες 21700 των σειρών P55/P60/P65 που κοντευουν τα 7000 mAh , αλλά το ρεύμα τους συνεχόμενα δεν είναι για πάνω από 10Α , γι αυτό και δεν έκανα κάποια αναφορά αλλα σε P4-P8 παραλληλισμό σε packages μπορούν να φτάσουν πολύ υψηλά ρευματα με 20% υψηλότερη χωρητικότητα από τις παραπάνω.

  Να υπενθυμίσω και παλαιότερο άρθρο μου για τον υπολογισμό μέτρησης παραμέτρων μπαταριών.

Ορισμοί τύπων υπολογισμού

- Θα ορίσουμε την χωρητικότητα της μπαταρίας σαν Q = Ah , που ορίζεται από τον τύπο Cp = I*t
(I = ρεύμα εκφόρτισης σε αμπέρ , t = χρόνος εκφόρτισης σε ώρες) , εδώ παραλείπεται η εκθετική σταθερά κ κατά Peukert , καθότι είναι περίπου μονάδα στις μπαταρίες λιθίου.

- Θα ορίσουμε Μέση τάση εκφόρτισης μπαταρίας Vm , την τιμή τάσης της μπαταρίας στο ήμιση της χρονικής διάρκειας εκφόρτισης δηλ άν εκφορτιστεί σε σταθερό ρεύμα και διαρκέσει 10 λεπτά από 4,2 μέχρι τα 2,8 βόλτ , τότε η Vm τιμή θα ισούται με την τάσης στα ακρα της μπαταρίας ακριβώς στα 5 λεπτά εκφόρτισης.
- Θα ορίσουμε Ενέργεια της μπαταρίας : E = Q * Vm
- Θα ορίσουμε Χωρητικότητα Q  της μπαταρίας σε mAh : (1000*E)/Vm ή Q = 1000*I*t

Γιά να μπορέσουμε τώρα να συγκρίνουμε μπαταρίες πρέπει νά έχουμε αποτέλεσμα μέτρησης ενέργειας γιατί όπως ανέφερα από μόνα τους τα αμπερώρια δεν υποδηλώνουν τίποτε παραπάνω από αμπέρ σε βάση χρόνου , εδώ έρχεται η τιμή της τάσης που αφού είναι μεταβλητη σε όλη την διάρκεια φόρτισης-εκφόρτισης σε βάση/άξονα χρόνου χρειαζόμαστε την μέση τάση εκφόρτισης/φόρτισης της μπαταρίας , αυτή που όλοι διαβάζετε σαν 3,6V ή 3,7V αλλά δεν ξέρετε πώς προκύπτει !
Σύμφωνα λοιπόν με τα εργοστασιακά standart , άν μία λιθίου ισχύος εκφορτίζεται με έναρξη τα 4,2V και τέλος τα 3V , η καμπύλη εκφόρτισης θάναι γραμμική και ακριβώς στο μέσο της (στο 1/2 του άξονα χρόνου εκφόρτισης) θα βρίσκεται η ακριβής μέση τάση εκφόρτισης τα 3,6 βολτ (Vm) όπως στο παρακάτω γράφημα.



Τα τελευταία χρόνια τα όρια μέτρησης έχουν διευρυνθεί από 4,2V μέχρι 2,8V , αρα η μέση τάσης εκφόρτισης είναι 3,7 V στις καινούργιες Li-Ion που σημαίνει ότι μετρήθηκαν μέχρι τα 2,8V κάτω όριο εκφόρτισης.

Άρα τώρα μπορούμε να υπολογίσουμε την Ενέργεια της 3000mAh μπαταρίας που θα ισούται με
E = Q * Vm => E = 3 * 3,6V = 10.8Wh.
Κάτω από ιδανικές συνθήκες όλες οι ίδιου pack μπαταρίες 3000mAh θα είχαν την ίδια ενέργεια 10.8Wh πράγμα που όμως εννοείται δεν ισχύει γιατί με την διαφοροποίηση του ρεύματος αλλάζει όλη η χημική συμπεριφορά και τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των μπαταριών γιά παράδειγμα με 1 αμπέρ ρεύμα κατανάλωσης , η μπαταρία θα λειτουργήσει 3 ώρες και θα μας δώσει τα 3000mAh , αλλά στα 6Α που θα έπρεπε να δώσει 3Ah/6 = 0.5h = 30 λεπτά λειτουργίας , θα μάς δώσει πχ 25 λεπτά δηλ 16% λιγότερη ενέργεια και 2500mAh από τα 3000mAh επειδή έχει υψηλή εσωτερική αντίσταση αλλά και λιγότερη ενέργεια αφού η μέση τάση εκφόρτισης δεν θάναι 3,7V αλλά χαμηλότερη αφού και η τάση εκφόρτισης θα ξεκινήσει από τα 3,8V , άρα μόνο ειδικές (και ακριβές) μπαταρίες μπορούν νάχουν την χημική συμπεριφορά και χαμηλή εσωτερική αντίσταση γιά να πάρουμε συνεχόμενα ρεύματα εκφόρτισης άνω των 3C (C=χωρητικότητα στοιχείου).

Υπαρχουν περιπτώσεις που δύο μπαταρίες μπορούν να μας δώσουν σε μετρήσεις ακριβώς τα ίδια mAh πχ 3000 αλλά η μία να έχει συνεχώς υψηλότερη τάση εκφόρτισης από την άλλη και να μας δώσει 10% περισσότερη ενέργεια για αυτό είναι απαραίτητο νά αναγράφεται από τον κατασκευαστή και η ενέργεια E του στοιχείου πχ 10Wh , που σχεδόν κανείς δεν κάνει ...

Ο πιό εύκολος υπολογισμός της πραγματικής χωρητικότητας μιας οποιασδήποτε φορτισμένης  μπαταρίας στο υψηλότερο ρεύμα που την δίνει ο κατασκευαστής , είναι χρησιμοποιώντας τον απλοποιημένο τύπο Peukert Cp = 1000*I*t  (mAh) και τα αποτελέσματα μετά από εκφόρτιση με τεχνητό φορτίο σταθερού ρεύματος (DC Load).