Суперконденсаторы стали популярным решением для тех ситуаций, в которых требуется резервное питание высокой плотности, наряду с длительным сроком службы и малым временем зарядки и разрядки.
Однако выбор правильного типа устройства для решения поставленной задачи может оказаться довольно сложным даже для самого опытного инженера. Это требует понимания широкого спектра технических характеристик, а также некоторых компромиссов, которые необходимо учитывать в процессе.
Выбор подходящего суперконденсатора для вашего приложения
Прежде чем мы более подробно рассмотрим, как выбрать правильный суперконденсатор для вашего приложения, стоит изложить основы работы таких устройств, а также некоторые преимущества, которые они предоставляют по сравнению с другими технологиями, такими как батарейки типа «таблетка». Эта информация может дать ценное представление о тех ролях, для которых суперконденсаторы особенно хорошо подходят.
Основы суперконденсаторов
Во-первых, с точки зрения принципа работы, многие суперконденсаторы используют так называемую схему электрического двухслойного конденсатора (EDLC) с двумя электродами, которые часто покрыты пористым материалом на основе углерода и разделены электролитом, который сам разделен слоем электролита. В то время как батареи основаны на химической реакции, суперконденсатор отличается тем, что он очень быстро накапливает и высвобождает энергию в процессе физической адсорбции и десорбции ионов в электролите, содержащемся между его электродами.
Рисунок 1: Внутренняя работа суперконденсатора
Эти процессы протекают намного быстрее, чем химические реакции, которые могут быть обнаружены при зарядке аккумулятора. С суперконденсаторами, имеющими низкое внутреннее сопротивление, устройство может быть полностью заряжено за несколько секунд, в то время как литиевая таблетка, используемая в аккумуляторной батарее, может занять от десяти минут до нескольких часов для полной зарядки из-за гораздо более высокого сопротивления. Кроме того, не существует теоретического предела продолжительности цикла, в то время как литий-ионный вторичный элемент имеет конечный срок службы примерно 500 циклов.
Последние достижения в области материалов на основе углерода означают, что пористые электроды могут иметь большую площадь поверхности, что приводит к высокому значению емкости и малым внешним размерам. Конструкция суперконденсатора с использованием водных электролитов по своей природе является проводящей, оказывает незначительное воздействие на окружающую среду и обладает негорючими характеристиками, что обеспечивает отличные характеристики и высокие требования к безопасности.
Как правило, они также обладают большей устойчивостью к влагопоглощению, чем органические соединения, что приводит к увеличению срока службы и большей стабильности (рис. 2). Это также означает, что суперконденсаторы практически не требуют обслуживания, в то время как литиевые батарейки нуждаются в регулярной замене в зависимости от конкретного применения.
Рисунок 2: Конструкция с высокой надежностью: Различия в конструкции ячеек между водными и органическими электролитами
Что касается плотности энергии, суперконденсаторы обычно рассчитаны на мощность от 0,5 до 5 Wh/kg, по сравнению с 30–270 Wh/kg для литиевого плоского элемента. Но такие емкости имеют гораздо более высокую удельную мощность, что позволяет им передавать большое количество энергии за очень короткое время. Компоненты такого типа предлагают большую гибкость с точки зрения диапазона рабочих температур — обычно они работают от -40 до +85°C по сравнению с более узкими параметрами. от -20 до +60°C для литиевого плоского элемента.
Такие характеристики производительности означают, что ультраконденсаторы находят все более широкое применение. К ним относятся функции резервного питания для широкого спектра оборудования, от устройств на базе Интернета вещей, интеллектуальных счетчиков коммунальных услуг или медицинского оборудования до автомобильной электроники и промышленных вычислений для расширенной автоматизации.
Типичные применения включают использование часов реального времени или энергозависимой памяти системы при отключении основного питания системы, например, во время отключения электроэнергии или когда основная батарея системы была удалена для замены.
Как правильно выбрать суперконденсатор
Итак, это основы суперконденсаторов и некоторые из функций, которые они выполняют. Но как вы подбираете подходящее устройство для требуемого приложения?
Рисунок 3 представляет собой хорошую отправную точку, поскольку он на высоком уровне иллюстрирует некоторые из начальных соображений, которые необходимо сделать. Например, если конечное применение диктует необходимость более длительного времени резервного питания, то решение с высоким импедансом из серий KEMET FG, FY, FC, FM и FR будет лучшим местом для начала.
Для более короткого времени резервного питания требуется низкий импеданс, а это означает другой набор решений, в первую очередь из продуктов семейства FA, FE, FS, FT и FM. В качестве альтернативы, если ключевым требованием приложения была высокая мощность, то ответ мог бы дать очень конкретный диапазон, такой как серия HV. Тем не менее, это важные соображения с самого начала, прежде чем приступить к дополнительным размышлениям.
Рисунок 3: Производительность для выбора
Помимо времени автономной работы, более полный список параметров, которые необходимо определить перед выбором суперконденсатора, также может включать необходимое минимальное и максимальное рабочее напряжение; рабочую температуру; требуемые размеры; и тип монтажа (на поверхность или в сквозное отверстие). Затем, имея эти детали под рукой, можно применить относительно простую формулу, позволяющую грубо рассчитать емкость, необходимую для выполнения поставленной задачи.
В качестве примера процесса расчета в приведенном ниже примере проекта заказчику необходим суперконденсатор, который сможет выдержать 150 часов резервного питания при следующих условиях:
➢ Vmin (минимальное рабочее напряжение) = 2,5 В
➢ Vmax (максимальное рабочее напряжение) = 5,5 В
➢ Ibackup (требуемый резервный ток) = 540
➢ запрошенное время поддержки T 150 часов,
➢ Температура окружающей среды 85°C + дополнительная система охлаждения (-15°C)
Уравнение для требуемой емкости определяется следующим образом:
Управление емкостью
Исходя из этого грубого расчета, вам понадобится суперконденсатор с емкостью около 0,1Ф. Однако есть дополнительные параметры, которые необходимо учитывать. К ним относятся полный спектр паразитных эффектов, таких как серия R — сопротивление постоянному току и ESR; саморазрядные характеристики; ток утечки и температура окружающей среды. В каждом случае KEMET может помочь инженерам-проектировщикам рассчитать влияние этих паразитных эффектов, чтобы сделать выбор более точным.
Кроме того, важно помнить «оценку срока службы» суперконденсатора (рис. 4). Конец срока службы определяется как точка, в которой емкость снижается до 70% от первоначального значения. Обычно срок службы суперконденсаторов при температуре окружающей среды 25°C составляет десять лет. Однако испытания на долговечность при высоких температурах показывают, что при повышении на 10 градусов Цельсия он уменьшается вдвое.
Таким образом, во многих случаях, если суперконденсатор необходим для высокотемпературного применения, его необходимо охладить, чтобы снизить температуру окружающей среды и увеличить ожидаемый срок службы. Однако здесь необходимо сделать обоснованное суждение: для случаев использования при очень высоких температурах другие технологии, такие как литиевые аккумуляторные элементы, могут дать лучший ответ.
Рисунок 4: Срок службы суперконденсаторов
Гибкое решение для всех потребностей в резервном питании большой мощности
В заключение, выбор правильного суперконденсатора для правильного применения лучше всего осуществляется с помощью структурированного процесса, который приводит к идентификации правильного продукта. KEMET предлагает широкий спектр решений, которые могут удовлетворить требования большинства сценариев использования. Ассортимент продукции постоянно расширяется за счет новейших продуктов, соответствующих стандарту AEC-Q200 для высоконадежных автомобильных приложений.
В конечном итоге преимущества суперконденсаторов теперь хорошо доказаны и понятны. У них нет ограничений на циклы зарядки/разрядки, возможна быстрая зарядка и разрядка, так как не используется химический заряд. Они имеют открытый режим отказа и простую установку — доступны серии SMD и автоматический монтаж. Суперконденсаторы также имеют широкий диапазон рабочих температур, высокую надежность во влажных средах и не требуют обслуживания.
Короче говоря, эти рабочие характеристики означают, что суперконденсаторы могут стать идеальным решением для любого приложения, которому требуется надежное решение для резервного копирования с высокой плотностью мощности.