Ультраконденсаторы заменяют аккумуляторные батареи

Ультраконденсаторы (ионисторы) с их высокой удельной емкостью и плотностью хранимой энергии являются прекрасной альтернативой электрохимическим аккумуляторам. Широкая линейка одиночных уль-тракоидеисаторов и их сборок, выпускаемая компанией loxus, идеальна для применения в энергетике (в том числе — альтернативной), на электротранспорте, в системах бесперебойного электропитания и в системах рекуперации энергии.

 

Широкое применение в технике получили электрохимические аккумуляторы энергии, начиная от традиционных свинцово-кислотных и заканчивая новейшими разновидностями литиевых систем. Однако всем этим аккумуляторам присущи серьезные недостатки: ограниченный срок службы при циклической работе (от нескольких десятков до нескольких тысяч циклов зарядов и разрядов), сравнительно небольшая удельная мощность (причем при увеличении мощности ощутимо снижаются энергоемкость, коэффициент возврата энергии и ресурс), значительное ухудшение характеристик при отрицательных температурах, использование в конструкции дефицитных и экологически опасных материалов. Эти недостатки ограничивают возможности и области применения электрохимических аккумуляторов, ухудшают технические и экономические параметры систем, в которых они используются.

Заманчивой альтернативой аккумуляторам являются суперконденсаторы (ультраконденсаторы, ионисторы). Они используют накопление электрической энергии в двойном электрическом слое, возникающем на границе жидкого электролита и твердого электрода. По сравнению с другими типами электрических конденсаторов, ультраконденсаторы имеют на несколько порядков большие удельную электрическую емкость и плотность хранимой энергии. В классическом варианте конструкции суперконденсатора заряд и разряд не сопровождается протеканием электрохимических реакций, поэтому заметной деградации материалов не происходит, и ресурс может превышать миллион циклов. Основным ограничителем срока службы суперконденсаторов является процесс разложения электролита при высокой температуре и повышенном напряжении. Однако при соблюдении допустимых, не слишком обременительных условий эксплуатации, суперконденсаторы могут эксплуатироваться в течение десятков лет, не требуя специального обслуживания. При отрицательных рабочих температурах, вплоть до -40°С, характеристики ультраконденсатора, хотя и несколько ухудшаются, остаются достаточно хорошими для применения. Пиковая удельная мощность суперконденсаторов может достигать нескольких десятков киловатт на килограмм их веса или на литр объема, что далеко превосходит возможности электрохимических аккумуляторов. В продолжительном режиме работы допустимая удельная мощность заряда и разряда ультраконденсаторов составляет (500…1500) Вт/кг. Таким образом, они являются наилучшим вариантом для аккумулирования и рекуперации электрической энергии при длительности от долей до нескольких сотен секунд. В целом ряде применений ультраконденсаторы могут эффективно комбинироваться с электролитическими конденсаторами, обеспечивая повышенную энергоемкость, или с электрохимическими аккумуляторами, значительно улучшая удельную мощность (особенно на морозе) и циклостойкость накопителя.

Суперконденсаторы Ioxus

Компания Ioxus является одним из ведущих поставщиков высококачественных ультраконденсаторов, преимущественно для силовых применений, отличающихся высокими электрической емкостью, энергоемкостью и мощностью. Суперконденсаторы Ioxus выпускаются в виде отдельных элементов в корпусах цилиндрической формы под торговой маркой iCAP®, а также в формате различных сборок (модулей) iMOD®. Модули комплектуются из цилиндрических элементов или специальных элементов призматической формы THiNCAP™.

Номинальное рабочее напряжение элементов-ультраконденсаторов Ioxus составляет 2,7 В. При таком напряжении и рабочей температуре 25°С гарантируется срок службы элемента не менее 10 лет с сохранением не менее 80% начальной емкости и не более чем двукратным увеличением внутреннего сопротивления. Если температура применения ультраконденсатора превышает 25°С (а максимально допустимая рабочая температура составляет 65°С), необходимо либо уменьшить рабочее напряжение по сравнению с номинальным значением, либо согласиться с уменьшением срока службы (при 65°С и номинальном напряжении гарантируемый срок службы составляет 1000 часов). Кроме того, гарантируется, что после миллиона циклов заряда и разряда ультраконденсатора в диапазоне (0,5хUНОМ…UНОМ) при температуре 25°С, его деградация не превысит вышеуказанного уровня (С ≥ 0,8хСНОМ, ESR ≤ 2хESRНОМ). Гарантийный срок хранения суперконденсаторов в разряженном состоянии при 25°С составляет 4 года. Важно помнить, что сильное негативное влияние на срок службы ультраконденсаторов оказывает именно одновременное воздействие повышенных значений температуры и напряжения: оба фактора влияют экспоненциально и мультипликативно. Поэтому, если требуется обеспечить большой срок службы, не следует допускать продолжительного одновременного воздействия максимально допустимых температуры и напряжения. В условиях, когда только один из этих факторов находится на максимуме, скорость деградации ультраконденсатора значительно снижается. В частности, кратковременно допускается повышение напряжения выше номинальной величины – до 2,85 В. Поскольку энергоемкость и мощность ультраконденсаторов серьезно улучшаются с ростом максимального значения напряжения при заряде, целесообразно по возможности поднимать напряжение и ограничивать их рабочую температуру: защищать от внешних тепловых потоков, улучшать теплоотвод от корпуса элемента, особенно используемого с большими рабочими токами.

Основные технические параметры суперконденсаторов цилиндрической формы, выпускаемых компанией Ioxus, представлены в таблице 1. Внешний вид некоторых из них показан на рисунках 1 и 2.

Рис. 1. Ультраконденсатор типа RSC2R7357SR в корпусе «snap-in»

Рис. 2. Ультраконденсатор типа iRB1250K270CT Titan™

По данным таблицы 1 видно, что некоторые типы ультраконденсаторов оптимизированы для получения максимально-возможной энергоемкости, а другие – на минимальное значение ESR и, соответственно, максимальную мощность. Это дополнительно дает пользователю свободу выбора при оптимизации своего проекта применения накопителя. Ультраконденсатор типа iRB1250K270CT, получивший специальную торговую марку Titan, отличается особо высокими характеристиками и надежностью при повышенных рабочих температурах.

Таблица 1. Ультраконденсаторы Ioxus цилиндрической формы*

Во многих применениях рабочее напряжение накопителя должно быть больше, чем максимально допустимое значение для одного элемента-суперконденсатора. В этом случае их соединяют в последовательную цепь, и полное напряжение накопителя приблизительно равномерно распределяется между отдельными элементами. Однако ряд факторов мешают точному выравниванию напряжений на элементах. Разброс реальных значений токов утечки приводит к неравномерности деления в установившихся режимах работы. Простым и достаточно эффективным средством преодоления этой проблемы является шунтирование каждого элемента-суперконденсатора резистором, имеющим сопротивление RШ = 0,1х(UНОМ/IУТ МАКС) с точностью не хуже 1%. Кроме того, необходимо ввести проектный запас на неравномерность деления напряжения: приемлемым считается пятипроцентный запас по напряжению по сравнению с одиночным применением ультраконденсатора. Дополнительно может быть предусмотрена защита от аномального повышения напряжения на каждом из элементов или на паре последовательно включенных элементов. Ioxus предлагает комплект iKIT60MM2V7A2S, обеспечивающий балансировку и защитный функционал, а также силовые межсоединения (токи до 1000 А) при последовательном включении до шести элементов-суперконденсаторов. В случае интенсивно протекающих процессов заряда и разряда накопителя, состоящего из большого числа последовательно соединенных ультраконденсаторов с большим диапазоном изменения напряжения, проблему создает разброс значений емкостей элементов. Ультраконденсаторы с меньшими значениями емкостей при заряде накопителя получают относительно большие приросты напряжения и могут попадать в область опасных значений напряжения, способствующих ускоренной деградации. Это проявляется, в том числе, в дальнейшем снижении емкостей этих элементов и усугублении проблемы. Для таких применений пассивной балансировки напряжений шунтирующими резисторами и защиты ограничителями перенапряжений может быть недостаточно. Тогда применяется селективная сборка с подбором ультраконденсаторов одинаковой емкости и/или активные схемы выравнивания с использованием импульсных регуляторов напряжения. Для пользователей в этом случае целесообразно ориентироваться на готовые модули, в которых вышеуказанные проблемы решены изготовителем.

Ioxus выпускает разнообразные модули суперконденсаторов, которые базируются либо на элементах цилиндрической формы из таблицы 1, либо на специальных призматических элементах THiNCAP™, показанных на рисунке 3. Имеется два типа ультраконденсаторов THiNCAP™, один из которых оптимизирован на максимальную удельную энергоемкость, а другой – на максимальную мощность. Это открывает возможность адаптации параметров модулей на их основе для различных требований применений. Кроме того, плоская форма элемента обеспечивает лучшее использование объема модуля по сравнению с ультраконденсаторами цилиндрической формы.

Рис. 4. Модуль ультраконденсаторов производства Ioxus на базе элементов цилиндрической формы

Рис. 5. Модуль ультраконденсаторов для промышленного применения на базе призматических элементов

В таблице 2 представлены основные параметры модулей ультраконденсаторов Ioxus. Они обеспечивают работу при номинальном напряжении от 16 до 162 В. Более того, при необходимости возможно последовательное включение нескольких модулей на напряжение до 2000 В. Выполненные в разнообразном конструктивном исполнении, модули обеспечивают широкий выбор по номинальной емкости и, соответственно, энергоемкости накопителей. Внешний вид некоторых типов модулей показан на рисунках 4 и 5. Высокая степень защиты модулей – вплоть до IP67 – и эффективный теплоотвод обеспечивают их надежную работу в жестких условиях применения.

Таблица 2. Модули ультраконденсаторов Ioxus

Наименование	UНОМ, В	СНОМ, Ф	IНОМ, А	ESR, мОм	Масса, кг	Примечание
IMOD016V058PA1M-00A	16	58	19	23	0,76	58F
IMOD016V500A22	16,1	500	130	1	5,1	500F
IMOD080V012P1M	81	11,7	10	85	3	12F
IMOD048V165A22-01A	48,6	165	85	5	14	165F
IMOD048V165A22-01B	48,6	165	112	3,5	14,5	165F
IMOD048V165A22-31B	51,3	180	120	5	15,5	165F
IMOD081V042P3L-00A	81	41,5	23	22	10	ИБП
IMOD081V042P3L-02A	81	41,5	23	22	10	ИБП
IMOD162V021P3L-00A	162	20,8	31	45	23	ИБП
iMOD016V200A23	16,2	200	60	1,8	4,3	На базе элементов 1200F
iMOD032V100A23	32,4	100	60	3,6	7,6
iMOD048V066A23	48,6	66	60	5,4	11
iMOD064V050A23	64,8	50	60	7,2	14,4
iMOD080V040A23	81	40	60	9	17,8
iMOD096V033A23	97,2	33	60	10,8	21,1
iMOD112V028A23	113,4	28	60	12,6	24,5
iMOD128V025A23	129,6	25	60	14,4	27,9
iMOD016V333A23	16,2	333	90	1,7	4,3	На базе элементов 2000F
iMOD032V166A23	32,4	166	90	3,4	7,6
iMOD048V0111A23	48,6	111	90	5	11
iMOD064V083A23	64,8	83	90	6,7	14,4
iMOD080V066A23	81	66	90	8,4	17,8
iMOD096V055A23	97,2	55	90	10,1	21,1
iMOD112V047A23	113,4	47	90	11,8	24,5
iMOD128V041A23	129,6	41	90	13,4	27,9
iMOD016V500A23	16,2	500	130	1,6	7	На базе элементов 3000F
iMOD032V250A23	32,4	250	130	3,1	12
iMOD048V166A23	48,6	166	130	4,7	18
iMOD064V125A23	64,8	125	130	6,2	24
iMOD080V100A23	81	100	130	7,8	29
iMOD096V083A23	97,2	83	130	9,4	35

Наиболее характерные области применения ультраконденсаторов Ioxus:

• мощные накопители энергии в составе ветроэнергетических установок, солнечных электростанций и других возобновляемых источников энергии;
• транспорт (особенно электротранспорт и транспорт с гибридными силовыми установками);
• системы пуска мощных агрегатов;
• источники бесперебойного (резервного) питания;
• системы рекуперации энергии;
• балансирование мощностей в системах электроснабжения;
• робототехника;
• транспортеры и другие механизмы в промышленности;
• подъемно-транспортные машины и механизмы.

 

Заключение

Во многих важных областях применения накопителей электрической энергии ультраконденсаторы обеспечивают значительно лучшие массогабаритные, стоимостные и ресурсные характеристики по сравнению с аккумуляторными батареями. Ioxus поставляет широкий спектр ультраконденсаторов и модулей с отличными параметрами, позволяющими подобрать оптимальное решение для самых разных проектов.

Алексей Попов, Сергей Попов (г. Воронеж) НОВОСТИ ЭЛЕКТРОНИКИ № 7, 2015