VINATech: єдині на ринку іоністори з номінальною напругою 3 В

1. Короткі відомості про компанію VINATech
2. Огляд технологій суперконденсаторів і гібридних конденсаторів від VINATech
3. Суперконденсатори і гібридні конденсатори від VINATech
4. Особливості застосування суперконденсаторів
5. Приклади використання суперконденсаторів
6. Деякі розрахункові співвідношення
7. Висновок
8. література

Більшість сучасних іоністорів (суперконденсаторів) випускається з рейтингом напруги 2,7 або 2,85 В. Єдиним постачальником цих компонентів з рейтингом 3,0 В є корейська компанія VINATech. Навіть настільки незначне підвищення напруги дає цілий ряд переваг, наприклад, дозволяє істотно продовжити термін служби компонента.

Суперконденсатори (іоністори, ультраконденсатори) представляють собою елементи живлення, які займають проміжне положення між хімічними джерелами струму (акумуляторами і батарейками) і звичайними конденсаторами (рисунок 1).

Мал. 1. Порівняння характеристик різних елементів живлення [1]

Традиційні акумулятори мають цілий ряд переваг: більшу ємність, низькі струми витоків, малі габарити. Однак є у них і недоліки: тривалий цикл заряду, відносно невисока здатність навантаження, обмежене число циклів заряду-розряду. Звичайні електролітичні конденсатори відрізняються практично необмеженим числом циклів заряду-розряду і високою пікової віддається потужністю, але ємність їх невелика. Іоністори, вони ж суперконденсатори, за величиною ємності поступаються тільки хімічних джерел струму (ХДС), а по швидкості і потужності заряду і розряду наближаються до електролітичним конденсаторам.

Історія суперконденсаторів налічує понад п'ятдесят років. Початок був покладений в 1957 році компанією General Electric, яка створила і запатентувала перший конденсатор з подвійним електричним шаром. Далі були подібні розробки інших компаній. У Радянському Союзі випускалися аналогічні елементи - іоністори КІ1-1.

Не зайвим буде зауважити: часто з метою забезпечення патентної чистоти для нових елементів придумували нові назви. По суті, двошаровий електрохімічний конденсатор, ультраконденсатор, суперконденсатор і іоністор - це одне і те ж.

Зараз на ринку присутні різні виробники, які, в основному, випускають ультраконденсатори з номінальною напругою 2,7 В. Найбільш просунуті пропонують елементи живлення з напругою 2,85 В. Єдиною компанією, що виробляє суперконденсатори з напругою 3,0 В, є VINATech (Південна Корея).

Чому максимально високу номінальну напругу так важливо для суперкондесаторов? По-перше, найчастіше вони застосовуються спільно з акумуляторами, у яких напруга в зарядженому стані буде вищою, ніж 2,7 В, а значить, їх пряме паралельне включення виключено. Замість цього доводиться використовувати перетворювачі або послідовно з'єднувати суперконденсатори, що ускладнюється необхідністю балансування.

По-друге, як показують дослідження, якщо суперконденсатор працює при напрузі менше номінального, це призводить до різкого зростання терміну служби [2]. Наприклад, для стандартних суперкондесаторов з рейтингом 2,7 В термін служби при напрузі 2,7 В і температурі 25 ° С становить 15,7 років, а при температурі 40 ° С падає до 6,6 років (рисунок 2). За аналогічних умов термін служби суперконденсаторів 3,0 В виробництва VINATech оцінюється в 80,5 і 27,5 років відповідно, тобто в 4 ... 5 разів більше.

Мал. 2. Порівняння терміну служби суперкондесторов 2,7 В і 3,0 В при робочій напрузі 2,7 В

Таким чином суперконденсатори 3,0 У VINATech мають збільшений термін служби не тільки при звичайних, але і при підвищених температурах. За розрахунками інженерів VINATech, навіть при температурі 85 ° С суперконденсатори працюватимуть майже півроку при напрузі 2,7 В (таблиця 1).

Таблиця 1. Залежність терміну служби суперконденсаторів 3,0 У VINATech від робочої напруги і температури

Напруга, В Температура, ºC 25 40 50 60 70 85 тис. годин Років Тис. годин Років Тис. годин Років Тис. годин Років Тис. годин Років Тис. годин Років 2,1 2012 229,7 711,3 81,2 355,7 40,6 177,8 20,3 88,92 10,2 31,44 3,6 2,2 1423 162,4 503 57,4 251,5 28,7 125,7 14,4 62,87 7,18 22,23 2,5 2,3 1006 114,8 355,7 40,6 177,8 20,3 88,91 10,2 44 , 46 5,08 15,72 1,8 2,4 711,3 81,2 251,5 28,7 125,7 14,4 62,87 7,18 31,44 3,59 11,11 1,3 2,5 503 57,42 177,8 20,3 88,91 10,2 44,46 5,08 22,23 2,54 7,86 0,9 2,6 355,6 40,6 125,7 14 , 4 62,87 7,18 31,44 3,59 15,72 1,79 5,56 0,6 2,7 251,5 28,71 88,91 10,2 44,46 5,08 22,23 2,54 11,11 1,27 3,93 0,5 2,8 177,8 20,3 62,87 7,18 31,44 3,59 15,72 1,79 7,86 0,9 2, 78 0,3 2,9 125,7 14,35 44,46 5,08 22,23 2,54 11,11 1,27 5,56 0,63 1,96 0,2 3 88,9 10,15 31,44 3,59 15,72 1,79 7,86 0,9 3,93 0,45 1,39 0,2

Короткі відомості про компанію VINATech

Якість елементів живлення (акумуляторів, суперконденсаторів, конденсаторів) практично повністю визначається якістю матеріалів і дотриманням технологій. З цієї причини до новачків на цьому ринку ставляться насторожено. Таке ж ставлення може виникнути і до VINATech, тому необхідно сказати кілька слів про даний виробника.

Південнокорейська компанія VINATech тільки зараз виходить на російський ринок, хоча в глобальному масштабі є одним з лідерів галузі. З моменту заснування в 1999 році VINATech залишається інноваційним виробником. До теперішнього часу компанія встигла зареєструвати 183 патенту, що відносяться до конструктивних особливостей суперконденсаторів, використаним технологіям виробництва.

У 2002 році VINATech успішно завершила розробку власної технології вуглецевих нанотрубок CNF (Carbon Nano Fiber), після чого швидко налагодила випуск суперкондесаторов, гібридних конденсаторів і модулів під загальним найменуванням Hy-Cap.

З 2011 року компанія VINATech запустила виробництво профільної продукції: елементів паливних осередків, вугільних фільтрів та іншого.

Розглянемо більш докладно технології та особливості елементів живлення, які пропонує компанія.

Огляд технологій суперконденсаторів і гібридних конденсаторів від VINATech

VINATech випускає широку номенклатуру суперконденсаторів Hy-Cap EDLC і гібридних конденсаторів Hy-Cap P-EDLC.

Суперконденсатори Hy-Cap EDLC (Electric Double Layer Capacitor) побудовані за схемою з подвійним електричним шаром (ДЕС) (рисунок 3). Електроди суперконденсатора занурені в рідкий електроліт і розділені сепаратором. На їх поверхні сформований шар пористого вуглецевого покриття. При додатку зовнішнього напруги вільні іони електроліту переміщаються в бік протилежно заряджених електродів. Іони не проникають всередину і не взаємодіють з поверхнею електродів через електрохімічних особливостей вуглецевого покриття. В результаті утворюються два електронних шару, які і є джерелом енергії, що запасається.

Мал. 3. Структура ультраконденсатори

Hy-Cap - Hybrid Capacitor, або Hy-Cap P-EDLC - комбіновані накопичувачі енергії, у яких один з електродів виконаний за схемою ДЕС, а другий являє собою псевдоконденсатор.

У суперконденсаторах для запасання енергії використовується тільки електростатичне взаємодія пасивних вугільних електродів з електролітом. У псевдоконденсаторах застосовуються активні електроди, які здатні вступати в окислювально-відновні реакції з електролітом. Тобто накопичення енергії йде як за рахунок ДЕС, так і за рахунок оборотних хімічних реакцій.

В результаті ємність P-EDLC значно вище, ніж у EDLC, але, на жаль, їх пікова потужність виявляється відчутно менше (таблиця 2). По терміну служби Hy-Cap EDLC також виявляються далеко попереду. Таким чином, Hy-Cap EDLC будуть ідеальним вибором для пристроїв з яскраво вираженим імпульсним споживанням і значними піковими струмами, в той час як Hy-Cap P-EDLC підійдуть для додатків з більш рівномірним розподілом споживання.

Таблиця 2. Порівняння характеристик Hy-Cap EDLC і Hy-Cap P-EDLC

Параметр Hy-Cap EDLC Hy-Cap P-EDLC Механізм накопичення Електростатичне накопичення заряду Електростатичне накопичення заряду + хімічну взаємодію Рейтинг напруги, В 2,5 / 2,7 / 3,0 2,3 Питома ємність, Вт · год / кг 3 ... 5 +7 ... + 12 Питома потужність кВт / кг 2 ... 3 1 ... 2 Ефективність заряду-розряду,% 90 ... 95 90 ... 95 Діапазон робочих температур, ℃ -40 ... 70 -25 ... 60 Термін служби, кількість циклів заряду-розряду більше 500 000 більше 100 000

При виборі відповідного накопичувального елемента розробникам необхідно визначитися з типом елемента, величиною необхідної ємності, конфігурацією висновків та іншими параметрами. Широка номенклатура накопичувачів від VINATech дозволяє легко це зробити.

Суперконденсатори і гібридні конденсатори від VINATech

VINATech випускає широку номенклатуру одиночних суперконденсаторів Hy-Cap EDLC, одиночних гібридних конденсаторів Hy-Cap P-EDLC, а також їх збірок. Крім серійних зразків VINATech може виробляти накопичувачі за технічним завданням замовника (рисунок 4).

Мал. 4. Накопичувачі виробництва VINATech

Таблиця 3. Характеристики сімейств накопичувачів від VINATech

Найменування Uном, В Ємність, Ф ESR, мом Iмакс, А Iутечкі, мА Габарити, мм Вага, г AC
(1 кГц) DC D L Поодинокі осередки EDLC VEC3R0xxxQx (Прямі висновки) 3 1 ... 60 12,5 ... 145 19 ... 220 1 ... 42 0,003 ... 0,18 8 ... 18 13 ... 40 1,1 ... 13,5 VEC3R0xxxQx (висновки snap-in) 3 100 ... 500 3 ... 6 4,5 ... 10 75 ... 230 0,3 ... 1,5 22 ... 35 45 ... 82 17,1 ... 96,0 VEC2R7xxxQx (Висновки snap-in) 2,7 1 ... 100 10 ... 130 16 ... 195 1 ... 51 0,002 ... 0,2 8 ... 18 13 ... 59 0,7 ... 15,0 VEC2R7xxxQx (висновки snap-in) 2,7 100 ... 500 3 ... 6 4,5 ... 10 65 ... 205 0,2 ... 1,0 22 ... 35 45 ... 82 17,1 ... 96,0 VEC2R7xxxHG-W (аксіальні висновки) 2,7 650 ... 3000 0,21 ... 0,5 0,28 ... 0,7 603 ... 2201 1,5 ... 5,2 60,4 51,5 їдальні ... 138 215 ... 535 VEC2R7xxxHG-T (аксіальні висновки з різьбленням) 2,7 650 ... 3000 0,21 ... 0,5 0,28 ... 0,7 603 ... 2201 1,5 ... 5,2 60,4 51,5 їдальні ... 138 215 ... 535 VEC2R5xxxQx (прямі висновки) 2,5 1 ... 60 25 ... 400 40 ... 600 0, 5 ... 22 0,002 ... 0,12 8 ... 18 13 ... 40 0,7 ... 10,2 VEC2R5xxxQx (висновки snap-in) 2,5 120 ... 500 5 ... 18 9 ... 30 32 ... 110 0,24 ... 1,0 22 ... 35 45 ... 82 17,1 ... 78,9 Поодинокі осередки P-EDLC VHC2R3xxxQx (прямі висновки) 2,3 10 ... 120 45 ... 220 80 ... 700 0,5 ... 3 0,002 ... 0,24 8 ... 18 20 ... 40 2,5 ... 16,0 VHC2R3xxxQx (висновки snap-in) 2,3 220 ... 800 10 ... 30 15 ... 45 3,5 ... 12,5 0,44 ... 1,6 22 ... 35 45 ... 70 17,1 ... 69,2 Сд оенние модулі EDLC VEC5R0xxxQx (Прямі висновки) 5 0,5 ... 7,5 145 ... 805 205 ... 1205 0,5 ... 7,5 0,002 ... 0,03 8,5 ... 13 17 ... 26 3,0 ... 9,6 VEC5R4xxxQx (Прямі висновки) 5,4 0,5 ... 7,5 55 ... 265 85 ... 395 1 ... 12,5 0,002 ... 0,03 8,5 ... 13 17 ... 26 2,6 ... 9,6 VEC6R0xxxQx (прямі висновки) 6 0,5 ... 5,0 55 ... 295 85 ... 445 1 ... 10 0,003 ... 0,03 8,5 ... 10,5 17 ... 21 2,5 ... 6,6 Високовольтні модулі VEM16R0606QG 16 60 - 22 200 22 51, 8 × 242,2 76,5 670 VEM16R0507QG 16 500 - 2,1 2000 5,2 68 × 418 177 5500 VEM48R0167QG 48 166 - 6,3 1900 5,2 191 × 418 177 13500

Поодинокі суперконденсатори Hy-Cap EDLC сімейства VEC випускаються в чотирьох конструктивних виконань (з прямими висновками, з висновками-засувками, з аксіальним висновками, аксіальним висновками з різьбленням) і з трьома номінальними напругами: 2,5 / 2,7 / 3,0 В .

Це саме «різношерста» сімейство, так як в нього входять як відносно малопотужні VEC3R0xxxQx з ємністю від 1 Ф і струмом від 1 А, так і потужні суперконденсатори з аксіальним висновками, наприклад, VEC2R7xxxHG , З ємністю до 3000 Ф і вихідним струмом до 2201 А.

Поодинокі гібридні конденсатори Hy-Cap P-EDLC сімейства VHC. Представники сімейства мають номінальну напругу 2,3 В. Головним достоїнством цих накопичувачів є висока питома ємність, яка у окремих представників досягає 800 Ф при досить скромних габаритах 35 × 70 мм. У порівнянні з Hy-Cap EDLC гібридні конденсатори мають невисокі вихідні струми до 12,5 А.

Здвоєні суперконденсатори Hy-Cap EDLC сімейства VEC є пару послідовно з'єднаних суперконденсаторів EDLC, тому вони мають подвійну номінальну напругу 4,0 / 5,4 / 6,0 В.

Складання суперконденсаторів Hy-Cap EDLC сімейства VEM представляють собою збірні стандартні модулі з вихідними напругами 16/48 В, високою ємністю і високим вихідним струмом до 2000 А.

Тут ще раз варто відзначити, що компанія VINATech готова виробляти модулі по технічним вимогам замовника. При цьому користувач отримує збірку з суперконденсаторів, балансування яких виконується за запатентованою технологією VINATech.

Роль суперконденсаторів або гібридних конденсаторів в системі харчування залежить від конкретного додатка. Багата номенклатура накопичувачів від VINATech дозволяє знайти найбільш підходящий елемент для кожного конкретного пристрою.

Особливості застосування суперконденсаторів

Суперконденсатор може використовуватися в системі харчування:

• як основний елемент живлення;
• як резервний елемент живлення;
• як буферний компонент спільно з акумулятором або батарейкою.

Суперконденсатор як основний елемент живлення. Останнім часом суперконденсатори і гібридні конденсатори все частіше розглядаються в якості основних елементів живлення в цілому ряді програм. Цьому сприяють:

• поширення харвестерів енергії, наприклад харвестерів вібрації, термогенераторов, сонячних батарей і так далі;
• розвиток бездротових систем передачі потужності, в тому числі RFID (радіомаяки);
• створення сверхнізкопотребляющіх мікросхем;
• розвиток самих суперконденсаторів, зокрема - збільшення питомої ємності.

В результаті сучасна елементна база дозволяє створювати малопотребляющіе пристрої, які можуть обійтися і без акумулятора. Прикладами таких пристроїв стають автономні датчики, в тому числі - і з підтримкою Bluetooth Low Energy [3]. Не варто забувати, що суперконденсатори, на відміну від хімічних елементів струму, можуть працювати і при негативних температурах, що також важливо для автономних датчиків.

Проте, широкого використання суперконденсаторів в якості основного елемента живлення заважає високий саморозряд і невисока ємність.

Суперконденсатор як резервний елемент живлення. В цілому ряді програм потрібно резервний або черговий джерело живлення. Резервування необхідно, наприклад, в системах сигналізації і аварійного освітлення, чорних ящиках автомобілів і так далі. Як чергового джерела суперконденсатор часто застосовується в малопотребляющіх системах, де він використовується під час сну, наприклад, для живлення чергового таймера.

Суперконденсатор як буферний елемент. В даному режимі суперконденсатор працює паралельно з акумулятором і виступає в ролі буферного джерела живлення.

Переваги такого режиму роботи випливають з порівняння характеристик акумуляторів і суперконденсаторів (таблиця 4). Акумулятори відрізняються величезною ємністю, але сильно обмежені за величиною вихідного струму через високий внутрішнього опору. Суперконденсатори хоча і не можуть похвалитися великою ємністю, зате можуть забезпечувати величезний навантаження струм. Таким чином, суперконденсатор і акумулятор ідеально доповнюють один одного.

Таблиця 4. Порівняння суперконденсаторів і акумуляторів

Параметр Суперконденсатори Акумулятори Механізм накопичення Електростатичне накопичення заряду Хімічна взаємодія Питома ємність, Вт · год / кг 3 ... 5 20 ... 150 Питома потужність, кВт / кг 2 ... 3 0,05 ... 0,3 Час заряду Швидке 1 ... 30 з 0,3 та ... 3 години Термін служби більше 500,000 циклів заряду-розряду, 10..50 років 500 ... 2000 циклів заряду-розряду, 10..50 років Ефективність заряду-розряду,% 90 ... 95 70 ... 85 Діапазон робочих температур, ° С -40 ... 70 -20 ... 70

Очевидно, що спільне використання акумуляторів і іоністорів у всіх додатках без розбору буде як мінімум невиправдано економічно, а також негативно позначиться на габаритах пристрою. З цієї причини такий режим найчастіше використовується в чотирьох основних випадках [4].

• Коли акумулятор не здатний забезпечувати протікання імпульсних струмів, хоча має достатню ємність. Як приклад можна привести роботу потужної світлодіодного спалаху фотоапарата [5]. У звичайному режимі споживання самого фотоапарата виявляється досить скромним (сотні мА), проте в момент спрацьовування спалаху джерело живлення повинен забезпечити протікання значного імпульсного струму в одиниці А (рисунок 5). Акумулятор не завжди може впоратися з цим завданням. Зате проблема просто вирішується за рахунок суперконденсатора, який заряджається в періоди «затишшя» і розряджається при активації спалаху, знімаючи більшу частину навантаження з акумулятора.

Мал. 5. Імпульсний характер споживання сучасних пристроїв

• Коли акумулятор здатний витримувати імпульсні навантаження, але спостерігається при цьому просадка напруги виявляється неприпустимою. Прикладом є мобільні пристрої, зокрема - GPRS-приймачі [4, 6]. Приймач GPRS класу 10 мають струм спокою близько 100 мА, а під час передачі споживання зростає до 2 А (в 20 разів). Такі імпульси струму призводять до виникнення різних проблем. Зокрема, на висновках акумулятора спостерігається значне осідання напруги - нижче допустимого значення. В результаті мобільний пристрій в момент слота передачі вимикається, при тому, що акумулятор може бути розрядженим всього лише наполовину.

Якщо в таких випадках паралельно з навантаженням помістити суперконденсатор, то він дозволить згладити імпульси напруги, забезпечивши основну частину імпульсу струму. В результаті з боку навантаження будуть спостерігатися невеликі коливання поблизу реального рівня напруги акумулятора і виключення пристрою відбудеться при більш повному розряді елемента живлення. Таким чином, формально можна вважати, що в рамках таких програм суперконденсатор продовжує час роботи акумулятора.

• Там, де необходимо рекуперація ЕНЕРГІЇ. Суперконденсаторів могут НЕ только Швидко віддаваті Накопичення Енергію, а й Швидко ее запасаті. Ця властівість вікорістовується в системах рекуперації, зокрема, в електромобілях и автомобілях з гібріднімі силовою установкою. Незважаючи на те, що в автомобілі присутній власний акумулятор, його неможливо ефективно використовувати для запасання величезної енергії, що виділяється, наприклад, при гальмуваннях. А ось суперконденсатори для цього підходять як не можна краще. Вони запасають енергію під час гальмувань або скочування з гірки і віддають її при першому вдалому випадку.

Яскравим прикладом такого використання суперконденсаторів є боліди Формули 1. На них застосовуються системи рекуперації енергії KERS. Про важливість і ефективність цієї системи свідчить той факт, що без надійної роботи KERS боліди автоматично потрапляють в ранг аутсайдерів.

• Для розширення температурного діапазону. Здатність навантаження акумуляторів різко зменшується при опусканні температури нижче нуля, а осідання напруги від протікання струмів зростають. Використання суперконденсаторів дозволяє виконувати запуск пристроїв навіть при знижених температурах. Таким чином, суперконденсатори як би розширюють робочий температурний діапазон для акумуляторів.

Варто відзначити, що в більшості розглянутих випадків поодинокі осередки суперконденсаторів можна підключати до акумулятора безпосередньо. Це пов'язано з розбіжністю рівнів напруги і необхідністю обмеження струму заряду. З цієї причини використовуються обмежувачі струму і послідовне або паралельно-послідовне включення іоністорів. Якщо прийнято рішення про послідовне включення, то не варто забувати про важливість балансування осередків, зокрема, необхідно потурбуватись про вирівнювання напружень. Якщо потрібні багатокоміркової модулі, краще відразу обріться до VINATech.

Важливо нагадати, що Hy-Cap EDLC виробництва VINATech стали першими іоністорів з номінальною напругою 3,0 В. Це дозволяє безпосередньо підключати їх до літій-діоксідмарганцевим батареям.

Приклади використання суперконденсаторів

Розглянемо деякі приклади використання суперконденсаторів [1].

Чергове харчування в електронних приладах. Більшість сучасних електронних пристроїв використовує режими зниженого споживання. В режимі глибокого сну практично всі цифрові і аналогові мікросхеми відключаються, а активним залишається тільки черговий таймер, який періодично пробуджує систему. Споживання при цьому виявляється на рівні одиниць і десятків мікроампер. Якщо для харчування таймера використовувати суперконденсатор - можна додатково скоротити споживання за рахунок відключення основної системи живлення.

Радіопередавальні устройстваGPS / GPRS (навігатори, трекери, мобільні телефони і так далі). У таких додатках наявність буферного суперконденсатора дозволяє збільшити термін служби акумуляторів і розширити діапазон робочих температур пристрою.

Лічильники енергії. Більшість сучасних лічильників є досить складні електронні пристрої, найчастіше - з вбудованими інтелектуальними функціями і радіоінтерфейсом. При відключенні зовнішнього живлення лічильник повинен встигати зберігати виміряні значення, для цього необхідно передбачити внутрішнє джерело резервного живлення, наприклад, суперконденсатор EDLC. З одного боку, він здатний забезпечувати необхідне навантаження протягом довгого часу, а з іншого - не потребує обслуговування, і користувачеві не потрібно думати про зміну батарейки.

Джерела безперебійного живлення. ДБЖ використовуються для резервного живлення пристроїв при відключенні електрики. При цьому активується вбудований накопичувач енергії, в якості якого може виступати батарея з потужних суперконденсаторів.

Аварійне освітлення. Під час відключення електрики в громадських місцях необхідно забезпечити живлення аварійного освітлення. При цьому споживана потужність виявляється не дуже високою завдяки використанню сучасних світлодіодів. Суперконденсатори підходять для таких додатків, так як мають достатню ємність і не вимагають обслуговування.

Сонячні електростанції баштового типу. Такі електростанції складаються з двох основних елементів: вежі з водяним бойлером і геліостат. Геліостат - набір з рухомих дзеркал, які відображають сонячні промені в вежу. Щоб стежити за переміщенням сонця, дзеркала повинні повертатися. Для живлення електроприводів зручно використовувати суперконденсатори, так як вони відрізняються високою робочою температурою і не вимагають обслуговування.

Твердотільні жорсткі диски. В даному випадку суперконденсатори можуть використовуватися в якості резервного джерела живлення.

Електромобілі та автомобілі з гібридними силовими установками. Як вже зазначалося вище, для створення системи рекуперації енергії суперконденсатори є ідеальним рішенням, так як здатні швидко віддавати і запасати енергію.

Автомобільні «чорні ящики». Спочатку такі блоки були призначені для активації подушок безпеки при аваріях. Однак зараз ці модулі додатково виконують збір різних даних: швидкість, стан педалей, час, місце розташування і так далі. Очевидно, що після аварії немає гарантій, що електросистема автомобіля не буде пошкоджена. З цієї причини «чорний ящик» повинен мати черговий джерело, який буде живити модуль хоча б протягом 10 ... 15 с після аварії. В даному випадку суперконденсатори виявляться кращим варіантом в порівнянні з акумуляторами, так як для автомобільних додатків важливий широкий діапазон робочих температур. Крім того, «чорний ящик» повинен бути не обслуговуються блоком, а при використанні акумуляторів це важко.

Мультимедійні аудіосистеми. При старті двигуна через високий пускового струму спостерігається різка просадка напруги бортової системи, а при комутації індуктивних навантажень, наприклад, котушок реле, можуть з'являтися значні перенапруги. Електронні блоки автомобіля повинні витримувати ці коливання. Для цього можуть використовуватися суперконденсатори EDLC необхідної потужності.

Елеватори та ліфти. В даному випадку суперконденсатори виконують двояку роль. По-перше, вони використовуються для рекуперації енергії. Коли ліфт рухається вниз - енергія запасається в іоністорів. Коли ж ліфт рухається вгору - іоністор віддає накопичену потужність. По-друге, сучасні ліфти часто забезпечуються системою аварійного відкривання дверей, яка вимагає резервного джерела живлення при відсутності електрики. Як правило, це надзвичайно важлива функція з точки зору пожежної безпеки, так як під час пожежі в першу чергу необхідно знеструмити будинок. Звичайно, в даному випадку для роботи від суперконденсатора потрібно інвертор.

Системи запуску двигунів і дизель-генераторів. При запуску дизель-генератора стартовий струм виявляється значним, і акумулятор не завжди може його забезпечити. Потужні суперконденсатори сімейств VEM вирішують цю проблему.

Вітрогенератори. У разі виникнення аварійної ситуації потрібно розворот лопатей, для цього необхідний власний резервне джерело живлення, що не потребує обслуговування. Очевидно, що суперконденсатори будуть ідеальним вирішенням цієї проблеми.

Залізничний транспорт і метро. При відсутності контактного напруги електровоз може отримувати енергію від власного чергового джерела живлення, наприклад, від батареї суперконденсаторів (з інвертором), потужності якої вистачить для короткочасних відключень тривалістю 1 ... 2 с.

Це лише невелика частина прикладів використання суперконденсаторів. Є й безліч інших, в тому числі - промислові роботи, іграшки, системи харчування електромагнітних клапанів, актуаторов і так далі.

Деякі розрахункові співвідношення

При роботі з суперконденсаторами часто виникають питання. Розглянемо найбільш поширені з них.

Як оцінити ємність суперконенсатора в Вт ∙ год? У документації ємність суперконденсаторів зазвичай наводиться в Фарадах, а ємність акумуляторів в Ватт-годинах. Цей факт іноді призводить споживачів в подив. Щоб оцінити ємність ультраконденсатори в більш звичних одиницях, слід скористатися двома формулами:

Спочатку розрахувати сумарну енергію в джоулях:

$$ E (Дж) = \ frac {1} {2} \ times C (Ф) \ times U ^ {2} (В) \ qquad {\ mathrm {(}} {1} {\ mathrm {)}} $$

Після чого визначити ємність в Ватт-годинах:

$$ E (Вт \ cdot годину) = \ frac {E (Дж)} {3600 (с)} \ qquad {\ mathrm {(}} {2} {\ mathrm {)}} $$

Як оцінити падіння напруги суперконденсатора при розряді? Для точної оцінки падіння напруги при розряді суперконденсатора необхідно враховувати сам розряд, просідання напруги на внутрішньому опорі суперконденсатора, внесок основного джерела живлення в загальний потік, характер навантаження. При цьому розрахункова формула виявиться досить складною. Втім, дуже часто для грубих розрахунків вистачає спрощеної формули:

$$ \ Delta V (I_ {імп}) = I_ {імп} \ times \ frac {T_ {імп}} {C} + I_ {імп} \ times ESR \ qquad {\ mathrm {(}} {3} { \ mathrm {)}} $$

Тут Iімп - амплітуда імпульсного струму (А), Tімп - тривалість імпульсу (с), C - ємність (Ф), ESR - послідовний опір (Ом). Дана формула передбачає активний характер навантаження (лінійний розряд) і відсутність зовнішнього джерела (суперконденсатор одноосібно живить навантаження).

Розглянемо приклад роботи суперконденсатора VEC3R0105QG з імпульсним навантаженням 1 с / 500 мА. Ємність VEC3R0105QG становить 1 Ф, номінальну напругу 3,0 В, ESR 220 мОм, піковий струм до 1 А. В такому випадку приблизна просадка напруги складе:

$$ \ Delta V (0.1 \ hspace {0.25em} А) = 0.5 \ hspace {0.25em} А \ times \ frac {1 \ hspace {0.25em} з} {1 \ hspace {0.25em} Ф} +0.5 \ hspace {0.25em} А \ times 0.22 \ hspace {0.25em} Ом = 0.61 \ hspace {0.25em} {У} $$

Тобто, якщо на момент початку розряду суперконденсатор був заряджений до номіналу 3,0 В, то в кінці розряду напруга на ньому складе близько 2,39 В.

Варто відзначити, що частіше доводиться вирішувати зворотну задачу і вибирати суперконденсатор для конкретного додатка. В такому випадку вихідними даними до розрахунку будуть параметри імпульсу (Iімп і Tімп) і допустимий діапазон робочих напруг навантаження.

Припустимо, потрібно забезпечити харчування спалаху фотоапарата з номінальною напругою 3,0 В і мінімально допустимим напругою 2,5 В. Параметри імпульсу 4 А / 0,16 мс. Якщо використовувати формулу (3) і додатково знехтувати власним опором суперконденсатора, отримаємо:

$$ C (Ф) = I_ {імп} \ times \ frac {T_ {імп}} {\ Delta V} = 4 \ hspace {0.25em} А \ times \ frac {0.16 \ hspace {0.25em} з} { 0.5 \ hspace {0.25em} В} = 1.28 \ hspace {0.25em} {Ф} $$

Вибираємо з запасом VEC3R0505QD ємністю 5 Ф і опором 70 мОм, і виконуємо зворотний перевірку за формулою (3):

$$ \ Delta V (4 \ hspace {0.25em} А) = 4 \ hspace {0.25em} А \ times \ frac {0.16 \ hspace {0.25em} з} {5 \ hspace {0.25em} Ф} +4 \ hspace {0.25em} А \ times 0.07 \ hspace {0.25em} Ом = 0.408 \ hspace {0.25em} {У} $$

Таким чином, якщо суперконденсатор спочатку був заряджений до 3,0 В, то до кінця розряду напруга впаде до 2,6 В, що дуже близько до мінімально допустимого значення.

Висновок

Нещодавно компанія VINATech, один зі світових лідерів у виробництві суперконденсаторів, вийшла на російський ринок. Тепер продукція компанії, в тому числі і унікальні суперконденсатори з номінальною напругою 3,0 В, доступна і вітчизняним розробникам. Збільшення рейтингу напруги дозволяє домагатися збільшення терміну служби і розширення температурного діапазону цих суперконденсаторів в порівнянні з традиційними іоністорів 2,7 В.

VINATech випускає широку номенклатуру одиночних суперконденсаторів Hy-Cap EDLC, одиночних гібридних конденсаторів Hy-Cap P-EDLC, а також збірок з суперконденсаторів EDLC під найменуванням Hy-Cap.

Накопичувачі від VINATech мають широкий спектр додатків - від радіопередавальних пристроїв і автономних датчиків до електромобілів і ліфтів.

література

1. Next-generation Energy Storage Devices with Low Resistance and Great Reliability, LS Ultracapacitor, 2015
2. https://www.vina.co.kr
3. Julia Leem, Jean Mars. Using a supercapacitor for power management and energy storage with a small solar cell, Part 1
4. Use of Supercapacitors to Improve Performance of GPRS Mobile CAP-XX, 2003
5. Using Supercapacitors to Solve LED Flash Power Issues for High Resolution Camera Phones. CAP-XX, 2003
6. Optimal Power Supply for 2G, 3G and 4G Applications. Sierra Wireless, 2013