Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2005 №6

Аэрогелевые конденсаторы фирмы Nesscap

Косолапов Александр


Потребность современной техники в новых источниках тока привела к появлению нового класса устройств — суперконденсаторов (Supercap). Эта статья рассказывает об их устройстве, принципе действия и областях применения.

Принцип действия

Электрохимические конденсаторы относятся к устройствам, накопление электрической энергии в которых происходит благодаря заряду двойного электрического слоя (ДЭС). Этот слой образован поверхностью проводника и слоем прилежащих к нему ионов электролита. Двойной электрический слой можно рассматривать как конденсатор с двумя обкладками, емкость которого пропорциональна площади обкладок и обратно пропорциональна расстоянию между ними. Благодаря тому, что расстояние между заряженной поверхностью проводника (из которого изготавливаются электроды) и слоем ионов очень мало (измеряется ангстремами), а величина поверхности проводника (например, активированного угля) достигает 1500–2000 м2/г, емкость угольного электрода массой 1 г может составлять 100–500 Ф.

Конструкция и эквивалентная схема суперконденсатора. (Рис. 1)

Конструкция и эквивалентная схема суперконденсатора.
Рис. 1. Конструкция и эквивалентная схема суперконденсатора

Напряжение на нагрузке в зависимости от времени разряда. (Рис. 2)

Напряжение на нагрузке в зависимости от времени разряда
Рис. 2. Напряжение на нагрузке в зависимости от времени разряда

Напряжение электрохимических конденсаторов (одного элемента) в большинстве случаев составляет 2,3–2,7 В. Оно ограничено величиной, при которой на электродах становится возможным процесс электролиза электролита (зависит от природы электролита).

Опираясь на эти физические принципы, компания NessCap Co., Ltd. выпускает серию аэрогелевых двухслойных конденсаторов (суперконденсаторов) на основе вспененного углеродного материала.

Приставку «супер» конденсаторы получили благодаря большой емкости по отношению к габаритам: так, у компании NessCap Co., Ltd. они имеют в 2000 раз большую объемную емкость по сравнению со стандартными алюминиевыми электролитическими конденсаторами, чрезвычайно низкий уровень последовательного сопротивления и ультранизкую утечку тока. Суперконденсаторы могут быть использованы как для длительного хранения энергии, так и кратковременного питания нагрузки большими токами, поскольку обеспечивают чрезвычайно высокую скорость разряда и большую, до 4000 Вт/кг, плотность энергии (примерно в 10 раз больше, чем у литий-ионных аккумуляторов).

Характеристики при разряде на нагрузку

Основные достоинства суперконденсаторов заключаются в большой электроемкости при малых габаритах, а также в крайне малом значении эквивалентного последовательного сопротивления (ESR). На практике не требуется применение специальных схем зарядки, управления процессом разряда; имеется возможность простой пайки контактов на печатную плату (в отличие от батарей). Кроме того, эти конденсаторы не содержат опасных и вредных веществ.

Величина емкости и ESR оказывает влияние на характер временной зависимости напряжения.

Так, при разрядке суперконденсатора на нагрузку первоначально напряжение падает на величину AV1r (влияние ESR конденсатора), после чего разрядная кривая принимает вид экспоненты (участок AVQ).

В результате при больших импульсных разрядных токах основную роль играет резистивная составляющая общего сопротивления конденсатора, а при малых импульсных токах большой длительности — емкостная составляющая. Поэтому при работе с большими импульсами тока следует применять суперконденсаторы с малым ESR, а при работе с малыми токами — конденсаторы большой емкости.

Характеристики при импульсной нагрузке

В ряде случаев, чтобы выяснить преимущества применения суперконденсаторов, достаточно составить простейшую цепь из батареи и нагрузки (в данном случае используется усилитель мощности).

В нашем примере усилитель воспроизводил импульсный сигнал, длительность пачки импульсов составляла 300 мс (рис. 3–4). Видно, что просадка напряжения с суперконденсатором вдвое меньше, чем без него.

Аккумуляторная батарея без суперконденсатора. (Рис. 3)

Аккумуляторная батарея без суперконденсатора
Рис. 3. Аккумуляторная батарея без суперконденсатора

Аккумуляторная батарея с суперконденсатором. (Рис. 4)

Аккумуляторная батарея с суперконденсатором
Рис. 4. Аккумуляторная батарея с суперконденсатором

Поскольку аккумулятор запасает намного больше энергии, чем конденсатор, его последовательное сопротивление потерь также намного выше. Конденсатор берет на себя часть нагрузки, ограничивая максимальный ток и продлевая тем самым жизнь батарее.

Применение суперконденсаторов

В автомобильных аудиосистемах

Общая выходная мощность автомобильных аудиосистем выросла с единиц до десятков ватт, потребляемые токи выросли также в десятки раз, наблюдается явная тенденция увеличения процентного соотношения использования низкочастотных звуков, при этом напряжение бортовой сети осталось неизменным — 12 В.

Обычные свинцовые батареи, применяемые в автомобилестроении, имеют достаточно высокий энергозапас, однако вследствие электрохимических реакций, протекающих с определенной скоростью на их электродах, они не могут адекватно реагировать на мощные кратковременные нагрузки, возникающие при работе усилителя. Их внутреннее сопротивление не позволяет реализовать возникающие при этом большие разрядные токи. При работе усилителя с традиционным аккумулятором на режимах высокой мощности напряжение бортовой сети автомобиля резко падает, что ощутимо отражается на качестве воспроизведения аудиопрограмм: появляются искажения, особенно в области низких частот, возникает нестабильность громкости звучания.

Традиционно эта проблема решалась путем установки дополнительных классических алюминиевых конденсаторов в цепь питания усилителя аудиосистемы. Это хорошие конденсаторы, но сегодня они уже не могут обеспечить высокое качество работы современных мощных (к примеру, 50 Вт) усилителей при приемлемых массогабаритных и технических характеристиках.

Появление на рынке в конце ХХ века электрохимических конденсаторов с двойным электрическим слоем — суперконденсаторов — с более высокими удельными характеристиками, чем у обычных алюминиевых конденсаторов, позволило им занять серьезную нишу на рынке автоаудиосистем ряда зарубежных стран.

Общеизвестно, что красота глубокого тембра низких частот тем ярче, чем длительнее импульс. Для частот ниже 50 Гц всегда желательно продлить звучание на время более 100 мс при сохранении установленной мощности прослушивания. Сравнительные испытания суперконденсаторов и алюминиевых конденсаторов, проведенные известными в области Car-Audio компаниями — Alumapro, JME (США), показали явные преимущества суперконденсаторов.

Даже в диапазоне мощности усилителя до 80 Вт, где традиционно применялись алюминиевые конденсаторы, суперконденсаторы показывают более высокое напряжение в конце 100-й миллисекунды разряда, а следовательно, и более высокую мощность (табл. 1).

Таблица 1. 40 Вт

А если говорить о более мощных системах, которые сейчас наиболее популярны, то старый принцип: 1 Ф на 40 Вт перестает действовать. Из табл. 2 видно, что 2 Ф алюминиевого конденсатора не в состоянии поддерживать качество звука в 80-Вт аудиосистеме.

Таблица 2. 80 Вт

В то же время суперконденсаторы при работе с усилителем мощностью выше 80 Вт обеспечивают мощность пролонгированного импульса низкой частоты и, следовательно, качество тембровой окраски.

Последние испытания показали также эффективность использования суперконденсаторов для поддержки качества средних и высоких частот. При этом суперконденсатор поддерживает мощность на этих частотах в миллифарадном диапазоне.

В бесперебойных источниках питания

Существует несколько типов бесперебойных источников питания, отличающихся по схемотехнике, однако в любом из них есть элемент (например, аккумулятор), способный отдавать накопленную энергию на преобразователь.

К примеру, при топологии Double-Conversion On-Line (True On-Line) используется несколько основных модулей:

  1. входной фильтр;
  2. фильтр;
  3. выпрямитель/зарядное устройство;
  4. коммутатор;
  5. батарея;
  6. инвертор.

В случае замены аккумуляторной батареи на суперконденсаторы модули 3 и 4 упрощаются, но инвертор работает непрерывно и переключений режима его работы при аварии питающего напряжения сети не происходит. При наличии питающего напряжения в сети мощность, потребляемая инвертором от батареи, полностью компенсируется мощным зарядом батареи.

Коммутатор обеспечивает подачу напряжения сети напрямую с входа на выход (в случае аварии инвертора или необходимости замены батарей «на ходу»).

Данная топология применяется в тех случаях, когда защищаемое оборудование очень чувствительно к качеству питающего напряжения. Она обеспечивает наивысшую степень защиты оборудования:

  • для хранения информации (счетчики, память, микроконтроллеры);
  • в устройствах, облегчающих запуск двигателей внутреннего сгорания (обеспечивает более плавный запуск при пониженных температурах окружающей среды);
  • в устройствах сглаживания пиковых нагрузок;
  • в устройствах, накапливающих энергию и отдающих ее в течение длительного промежутка времени.

Например: солнечная батарея — суперконденсатор — потребитель (элемент индикации) или ветряной генератор — батарея суперконденсаторов — потребитель (жилой дом).

В сотовых системах стандарта GSM

Поскольку такие устройства используют импульсы до 2 А, включение суперконденсатора параллельно батарее питания повышает как КПД ВЧ усилителя трубки, так и эффективность источника питания.

Так, в частности, был проведен тест с подключением литий-ионной батареи емкостью 600 мА·ч на «пульсирующую» нагрузку GPRS Class 10 (2 A при ширине импульса 1,154 мс, 100 мА для длительного времени) и использовании параллельно батарее суперконденсатора 1Ф (рис. 5).

Схема включения суперконденсатора. (Рис. 5)

Схема включения суперконденсатора
Рис. 5. Схема включения суперконденсатора

В результате теста при работе батареи на нагрузку GPRS Class 10 напряжение снизилось до уровня 3,3 В за 14,9 мин (синий график). В то же время, если параллельно батарее включить суперконденсатор, то снижение напряжения до уровня 3,3 В происходит уже за 38,1 мин.

Напряжение для случаев включения батареи без суперконденсатора (синий график) и батареи с суперконденсатором (желтый график). (Рис. 6)

Напряжение для случаев включения батареи без суперконденсатора (синий график) и батареи с суперконденсатором (желтый график)
Рис. 6. Напряжение для случаев включения батареи без суперконденсатора (синий график) и батареи с суперконденсатором (желтый график)

В портативных компьютерах

Включение параллельно аккумуляторам суперконденсатора продлевает время работы компьютера без подзарядки.

В качестве источника тока для привода высоковольтных размыкателей

Применение суперконденсатора дает возможность повысить надежность системы питания, уменьшить ее габариты и вес.

Системы питания задвижек и аварийных клапанов трубопроводов, систем вентиляции и кондиционирования воздуха в аварийных ситуациях

Батареи суперконденсаторов, в отличие от аккумуляторов или пневматических систем приводов, не требуют обслуживания, имеют срок службы более 12 лет, обладают большой надежностью и безопасностью.

Источники энергии для физических установок, импульсно-периодических лазеров, сверхъярких светодиодов

В качестве примера приведена часть схемы включения суперконденсатора 1,2 Ф в составе фотовспышки при нагрузке на сверхъяркий светодиод фирмы Lumiled LXCL-PWF1.

Схема включения суперконденсатора в фотовспышке (Рис. 7)

Схема включения суперконденсатора в фотовспышке
Рис. 7. Схема включения суперконденсатора в фотовспышке

Замена в таких устройствах традиционных конденсаторных накопителей на накопители на базе суперконденсаторов приводит к значительному снижению габаритов и веса источника энергии, а во многих случаях — и к уменьшению цены.

Параллельное и последовательное включение суперконденсаторов

Для случаев, где не может справиться один конденсатор, разработаны специальные батареи с параллельным или последовательным включением конденсаторов. Прежде всего, разработчики должны убедиться, что рабочее напряжение, определенное для таких батарей, не вызовет перегрузку отдельных конденсаторов. Рабочее напряжение для каждого конденсатора SuperCap не должно превышать 85% от номинального. В циклическом функционировании при соответствующем расчете схемы это напряжение может быть несколько выше. Кроме того, после разрядки на отдельных конденсаторах в течение определенного периода времени не должно появляться никакое отрицательное напряжение.

Более высокое значение тока может быть получено при параллельном соединении конденсаторов SuperCap. Но если в ходе работы происходит глубокий разряд конденсаторов, конфигурация батареи должна быть изменена. Во время зарядки конденсаторы должны быть развязаны друг от друга специальными резисторами, а параллельное их включение осуществляется только непосредственно перед началом процесса разряда.

При использовании последовательной схемы включения каждый отдельный конденсатор не должен быть заряжен выше его максимально допустимого напряжения. Полное напряжение по постоянному току должно быть разделено пропорционально ESR различных конденсаторов SuperCap.

Поскольку ESR отдельных конденсаторов в батарее может сильно различаться, приложенное к ней постоянное напряжение может быть распределено очень неравномерно, что приведет к перегрузке отдельных конденсаторов. Поэтому необходимо предпринимать специальные меры для обеспечения однородного распределения напряжения. Наиболее надежный способ заключается в том, чтобы для заряда различных конденсаторов использовались электрические изолированные источники напряжения.

Если изолированные источники напряжения не могут быть использованы, ситуацию можно исправить, соединяя различные конденсаторы с внешними балластными резисторами Rbal, сопротивление которых должно быть одинаковым. Если полученное при делении напряжение существенно ниже номинального напряжения конденсатора SuperCap, балластные резисторы можно не использовать.

Опыт показывает, что это может быть реализовано (в разумном соотношении) с помощью двух или трех отдельных конденсаторов (возможно и больше, если изделие это допускает), пока полное напряжение не превышает 80% от произведения числа конденсаторов на их номинальное напряжение. При этом надо следить за тем, чтобы последовательно соединялись конденсаторы одного типа с одинаковой емкостью, а их ESR не отличались значительно.

Все описанные рекомендации относятся и к батареям конденсаторов более сложной конфигурации. Для случая уравнивания напряжения с помощью балластных резисторов рекомендуется, чтобы каждый отдельный конденсатор имел свой собственный резистор.

Подключение внешних балластных резисторов. (Рис. 8)

Подключение внешних балластных резисторов
Рис. 8. Подключение внешних балластных резисторов

Здесь показано, как параллельно соединенные конденсаторы могут быть объединены в последовательную схему с помощью одного балластного резистора на группу. Это решение несколько проще приведенного ранее, но имеет один существенный недостаток: если один из конденсаторов выйдет из строя, приложенное напряжение будет перераспределено среди оставшихся последовательно включенных конденсаторов, что может привести к их перегрузке и значительному сокращению срока службы батареи в целом.

В схеме уравнивания напряжения балластными резисторами (рис. 9), опасности подвергается только один ряд конденсаторов. В более простой схеме, при использовании одного балластного резистора на группу (рис. 10), повышенное напряжение воздействует на все ряды последовательно соединенных конденсаторов, и повреждение может быть гораздо более серьезным. По той же самой причине в комбинированных схемах надо избегать внутренних связей между параллельно включенными конденсаторами без использования балластных резисторов.

Уравнивание напряжений балластными резисторами. (Рис. 9)

Уравнивание напряжений балластными резисторами
Рис. 9. Уравнивание напряжений балластными резисторами

Использование одного балластного резистора на группу. (Рис. 10)

Использование одного балластного резистора на группу
Рис. 10. Использование одного балластного резистора на группу

Pacчет суперконденсатора

Поскольку суперконденсатор имеет те же самые физические принципы работы, что и обычный конденсатор, то и необходимые параметры электроемкости и рабочего напряжения можно получить, опираясь на известные формулы для обычного конденсатора.

Полную расчетную информацию можно найти в Интернете (http://www.cap-xx.com/resources/designaids/design_calc.htm). Здесь представлены расчетные формы в виде графиков для различных схем включения конденсаторов.

Конструктивное исполнение суперконденсаторов фирмы NessCap

В зависимости от требований суперконденсаторы разделены на несколько серий:

Серии ESLSR, ESLLR, ESLLP, PSHLR

Отличаются напряжением 2,3 В и ESR (внутренним сопротивлением 0,5–150 мОм) при значениях емкости 3–3500 Ф. Выпускаются в призматических и цилиндрических корпусах, благодаря чему могут применяться в устройствах, где требуется быстрая разрядка, а также в источниках накопления энергии (серия PSHLR).

Серии ESHSR, ESHSP, ESHLR, ESHLP

Имеют рабочее напряжение 2,7 В и внутреннее сопротивление 0,35–100 мОм. Они могут применяться в необслуживаемых системах резервного питания. В серии представлены конденсаторы емкостью от 5 до 5000 Ф.

Серии EMLLR, EMHSR, EMHSP, EMHLR, EMHLP

Выпускаются в цилиндрических или призматических корпусах и в виде сборок, имеют разное напряжение — от 4,6 до 340 В при значении емкости 1,5–238 Ф и низком ESR (3–500 мОм) для применения в различных устройствах.

Выводы

Основные физические принципы работы суперконденсаторов схожи с работой электролитических конденсаторов, однако запасенная энергия во много раз больше, чем в последних. В то же время суперконденсаторы уступают по плотности энергии аккумуляторам (литий-ионным), но могут отдавать в десятки, а то и в сотни раз большие токи на нагрузку без каких-либо последствий для себя. Так, многие зарубежные компании (в том числе немецкая компания Sonnenschein lithium) выпускают готовые модули питания «два в одном» — батарея с суперконденсатором — для применения в различных устройствах, где требуется импульсное питание. Все это предсказывает, что суперконденсаторы займут достойное место среди электронных компонентов.

Литература

  1. Шурыгина В. Суперконденсаторы. Помощники или возможные конкуренты батарейным источникам питания // Электроника: Наука Технология Бизнес. 2003. № 3.
  2. PowerStor, Aerogel Supercapacitors Provide Both High Energy and High Power Stability: 2003–2005. Site company Cooper Bussman.
  3. AVX, BestCap, Ultra-low ESR, High Power Pulse Supercapacitance B. E. Site company AVX, 2005.
  4. Zeff R. Car Audio&Electronics. 2002.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке