Superkondensatory, baterie i akumulatory

Niewielkie urządzenia często korzystają z baterii litowo-jonowych lub jednorazowych ogniw alkalicznych, zapewniających im małe gabaryty i minimalne wymagania w zakresie obsługi okresowej. Ogniwa litowo-jonowe wymagają uwagi w zakresie parametrów ładowania i wymogów zapewnienia bezpieczeństwa, z kolei akumulatory używane w systemach zasilania awaryjnego szybko się degradują w czasie szybkiego rozładowania i należy je częściej wymieniać. Źródła te wymagają również skomplikowanych systemów zarządzania ich pracą (BMS), które ograniczają możliwość wystąpienia niekontrolowanej niestabilności termicznej i pożaru.

Kondensatory dwuwarstwowe (EDLC), czyli superkondensatory, stanowią rozwiązania uzupełniające działanie akumulatorów. Elementy te mogą dostarczać przez krótki czas dużą moc, są przyjazne dla środowiska, stabilne termicznie i mogą działać niezawodnie nawet przez 20 lat. Mogą stanowić samodzielny system magazynowania energii, a w połączeniu z akumulatorami można ich używać jako źródła hybrydowego o korzystnych własnościach.

W artykule opisano właściwości superkondensatorów w porównaniu z akumulatorami. Następnie omówiono niektóre typowe zastosowania na przykładzie produktów firmy Eaton.

Superkondensatory i akumulatory - różnice

Superkondensator magazynuje energię o dużej mocy dysponowanej w porównaniu ze źródłami elektrochemicznymi, takimi jak baterie. Działa on jak klasyczny kondensator, w tym sensie, że jego profil rozładowania przy stałym prądzie wykazuje liniowy spadek napięcia. W przeciwieństwie do baterii, superkondensator magazynuje energię w polu elektrostatycznym, więc nie zachodzą w nim żadne reakcje chemiczne, a operacje ładowania i rozładowywania są prawie całkowicie odwracalne. Oznacza to, że element ten zapewnia większą liczbę cykli ładowania i rozładowania.

Z kolei akumulatory magazynują energię w formie elektrochemicznej. Dla ogniw Li-Ion profil rozładowania jest płaski, tj. wykazują one mniej więcej stały poziom napięcia, aż do prawie całkowitego rozładowania akumulatora. Ze względu na degradację związków chemicznych, liczba cykli ładowania i rozładowania w akumulatorze litowo-jonowym jest ograniczona. Z upływem czasu czynniki takie jak temperatura, napięcie ładowania i głębokość rozładowania wpływają na zmniejszenie pojemności akumulatora.

Akumulatory litowo-jonowe są podatne na niestabilność termiczną, samozapłon, a nawet eksplozję. Wytwarzanie ciepła podczas ich rozładowywania jest nieuniknione w wyniku ogrzewania rezystancyjnego. Z tego powodu akumulatory wymagają monitorowania temperatury, aby zapewnić bezpieczeństwo.

Superkondensator kontra akumulator Li-Ion

Baterie zapewniają dużą gęstość energii. Z kolei superkondensatory mają niższą gęstość energii niż akumulatory, ale dużą gęstość mocy, ponieważ można je rozładować niemal natychmiast dużym prądem. Procesy elektrochemiczne w akumulatorze nie są tak szybkie. Obydwa elementy sprawdzają się w systemach magazynowania energii (rys. 1).

 

Rys. 1. Pokazano porównanie cech superkondensatorów i akumulatorów litowo-jonowych

Porównanie gęstości energii wyrażonej w watogodzinach na litr (Wh/l) i gęstości mocy w watach na litr (W/l) pokazuje najbardziej znaczącą różnicę. Widać ją również w czasie rozładowania – superkondensatory mają za zadanie dostarczać energię w krótkich chwilach (zdarzenia przejściowe), natomiast baterie wytrzymują długotrwałe zdarzenia. Superkondensator rozładowuje się w ciągu kilku sekund lub minut, natomiast akumulator może dostarczać energię przez wiele godzin. Ta cecha wpływa na ich zastosowanie.

Ponadto superkondensatory działają w szerszym zakresie temperatur niż akumulatory. Praktycznie bezstratne procesy elektrostatyczne również przyczyniają się do ich większej wydajności, szybszego ładowania i małego nagrzewania.

Przykłady superkondensatorów

Firma Eaton oferuje kompletną rodzinę superkondensatorów do zastosowań w zakresie magazynowania energii wymagających dużej gęstości mocy i szybkiego ładowania. Obudowy tych elementów czasami przypominają wyglądem akumulatory, zwłaszcza ogniwa pastylkowe (guzikowe). Są one również dostępne w konwencjonalnych cylindrycznych obudowach znanych z kondensatorów elektrolitycznych (rys. 2).

 

Rys. 2. Superkondensatory są dostępne w standardowych cylindrycznych obudowach kondensatorów elektrolitycznych, niektóre mają obudowy pasujące do rozmiarów ogniw pastylkowych

TV1030-3R0106-R firmy Eaton pokazany na rysunku 2 (po lewej) to superkondensator o pojemności 10 F i maksymalnym napięciu roboczym 3 V. Jest on w formie cylindrycznej puszki o średnicy 10,5 mm oraz wysokości 31,5 mm z wyprowadzeniami promieniowymi. Jego zakres temperatur roboczych wynosi od –25°C do +65°C, a przy napięciu obniżonym do 2,5 V może działać w rozszerzonym zakresie pracy od –25°C do +85°C. Zgromadzona energia sięga 12,5 mWh, a szczytowa moc 86,5 W. Producent gwarantuje 500 000 cykli ładowania/rozładowania.

Superkondensatory mogą zastąpić baterie guzikowe w wielu zastosowaniach, takich jak podtrzymanie zasilania awaryjnego układów pamięci. Do tego celu nadaje się KVR-5R0C155-R (rys. 2, po prawej). Jest to superkondensator o pojemności 1,5 F i maksymalnym napięciu roboczym 5 V. Jego wymiary są zbliżone do rozmiaru ogniwa guzikowego o średnicy 20 mm. Może zapewnić moc szczytową 0,208 W, a jego zakres temperatur pracy wynosi od –25°C do +70°C. Producent gwarantuje 500 000 cykli ładowania/rozładowania.

Zwiększanie gęstości energii

Energia zmagazynowana w superkondensatorze jest proporcjonalna do jego pojemności i kwadratu napięcia. Zatem gęstość energii można zwiększyć łącząc liczbę ogniw w gałęzie równoległe lub szeregowo-równoległe (rys. 3).

 

Rys. 3. Gęstość energii superkondensatora można zwiększyć, łącząc w pakiet wiele ogniw

Superkondensator Eaton PHVL-3R9H474-R (rys. 3, po lewej) ma pojemność 470 mF i napięcie maksymalne 3,9 V w konfiguracji z podwójnymi ogniwami. Ma on bardzo małą rezystancję szeregową (ESR) wynoszącą tylko 0,4 Ω, co pozwala zmniejszyć straty energii i zapewnić dużą moc szczytową, tj. 9,5 W. Zakres temperatur pracy to od –40°C do +65°C. Podobnie jak dla poprzednio omawianych elementów trwałość jest określana na poziomie 500 000 cykli. Obudowa ma wysokość 14,5 × 17,3 × 9 mm.

Tego typu wersje modułowe mogą dostarczać znacznej ilości energii. Przykład to XLR-16R2507B-R (rys. 3, po prawej), który ma pojemność 500 F i napięcie maksymalne 16,2 V oraz ESR 1,7 mΩ. Superkondensator ten jest w stanie dostarczyć moc 38,6 kW (w szczycie), a jego zakres temperatur pracy wynosi od –40°C do +65°C. Obudowa ma wymiary 177 × 417 × 68 mm.

Superkondensatory hybrydowe

Połączenie właściwości superkondensatorów i akumulatorów litowo-jonowych zaowocowało powstaniem wersji hybrydowych, zwanych też kondensatorami litowo-jonowymi (LiC). Mają one większą gęstość energii niż superkondensator, a jednocześnie zapewniają krótszy czas reakcji. LiC ma asymetryczną strukturę wykorzystującą anodę z grafitu domieszkowanego litem i katodę z węgla aktywowanego (rys. 4).

 

Rys. 4. Element hybrydowy łączy właściwości superkondensatora i akumulatora litowo-jonowego i charakteryzuje się zwiększoną liczbą cykli ładowania/ rozładowania w porównaniu do akumulatora i większą wydajnością procesów ładowania i rozładowywania

Konstrukcja superkondensatora hybrydowego jest połączeniem elektrochemicznej natury ogniwa litowego z właściwościami elektrostatycznymi, co zapewnia zauważalne korzyści. Ruch ładunku elektrycznego jest procesem elektrochemicznym w LiC, ale odbywa się na mniejszej głębokości niż w klasycznym akumulatorze, co skutkuje zwiększoną liczbą cykli ładowania/rozładowania i większą szybkością rozładowania. Powstały profil rozładowania jest bardzo podobny do profilu superkondensatora.

Na przykład HS1016- 3R8306-R to hybrydowy superkondensator 30 F, 3,8 V umieszczony w cylindrycznej obudowie z wyprowadzeniami promieniowymi. Ma ESR rzędu 0,55 Ω i może dostarczyć moc szczytową 6,6 W. Jego zakres temperatur pracy wynosi od –15°C do +70°C, a przy napięciu do 3,5 V może działać w rozszerzonym zakresie od –15°C do +85°C. Jego katalogowa żywotność to 1000 godzin (determinowana w maksymalnym napięciu roboczym i maksymalnej temperaturze). Wymiary obudowy to 18 (wysokość) × 10,5 mm (średnica). Podobnie jak superkondensator, jego wytrzymałość to 500 000 cykli ładowania/rozładowania.

Wykresy energii i gęstości mocy Zestawienie energii i gęstości mocy dla elementów magazynujących energię ilustruje ich użyteczność i efektywny czas pracy (rysunek 5).

 

Rys. 5. Wykres gęstości energii w funkcji gęstości mocy dla akumulatorów i superkondensatorów oraz oferowany czas podtrzymania zasilania

Wykres ten jest zobrazowaniem przedstawiającym gęstość energii w funkcji gęstości mocy. Ze stosunku tych parametrów otrzymujemy czas. Elementy o dużej gęstości energii, ale małej gęstości mocy, znajdują się w lewym górnym rogu. Należą do nich ogniwa paliwowe i akumulatory. Te o dużej gęstości mocy, ale małej gęstości energii, takie jak tradycyjne kondensatory i superkondensatory, zajmują prawy dolny róg. Superkondensatory hybrydowe mieszczą się pomiędzy tymi grupami. Skala czasowa mówi, że superkondensatory działają przez kilka sekund, hybrydy przez kilka minut, a baterie przez wiele godzin lub dłużej.

Zastosowania

Podzespoły magazynujące energię dostarczają energię w przypadku utraty zasilania podstawowego (z sieci), dla pamięci, układów komunikacji. W takich miejscach są używane baterie jednorazowe i akumulatory, ale obecnie coraz częściej sięga się po superkondensatory ze względu na ich znacznie większą liczbę cykli ładowania/ładowania. Co więcej, w przypadku superkondensatorów nie ma potrzeby okresowej wymiany ogniw.

Superkondensatory są również wykorzystywane w aplikacjach IoT i IIoT, zasilanych energią wolnodostępną. Są używane w pojazdach, gdzie magazynują energię odzyskaną podczas hamowania. Zapewniają dużą moc wyjściową, dzięki czemu można je zastosować w układach zasilania awaryjnego w instalacjach o znaczeniu krytycznym, po to, aby podtrzymać zasilanie przez ok. 10 s do momentu włączenia awaryjnego generatora spalinowego. Superkondensator ładuje się mniej więcej w tym samym czasie, a po utracie zasilania może szybko powrócić do pracy.

Podsumowanie

Superkondensatory uzupełniają tradycyjne akumulatory w większości zastosowań związanych z magazynowaniem energii. Ich wyższy poziom mocy wyjściowej i krótki czas ładowania sprawiają, że idealnie nadają się do krótkotrwałego wspomagania zasilania. Duża liczba cykli ładowania/ładowania, które można wykonać bez pogorszenia wydajności, zmniejsza koszty konserwacji i konserwacji związanej z wymianą akumulatorów.

DigiKey
www.digikey.pl