CC BY
110Компоненты и технологии, № 2'2002
Компоненты для силовой электроники
корпорации Epcos AG
Часть 4. Ультраконденсаторы (ионисторы) серии UltraCap
Сергей Пряхин
O'
X
I—
Ш
Q.
Ф
X
<0
-О
&
о
X
I-
о
с
с
1000
100
Основное отличие от обычного конденсатора — повышенная емкость
Ионистор1 — особый новый тип электролитического конденсатора большой емкости, которая достигает нескольких тысяч фарад. Повышенная емкость обусловлена двумя факторами:
1. Увеличенная эффективная поверхность электродов, выполненных из активированного угля. Для ионисторов Epcos эта поверхность составляет около 2000 м2/г.
2. Сверхмалое расстояние между противоположными зарядами (расстояние порядка 10-9 мм) — в качестве электродов используются высокопористые угольные материалы (в отличие от алюминиевых электродов обычных электролитических конденсаторов).
Благодаря этим факторам фирма Epcos выпускает конденсаторы серии UltraCap2 B49300-A1605 емкостью 600 Ф в корпусе размером с металлическую банку газированного напитка (33x61x91 мм).
Электроды ионистора, обладающие химической инертностью и высокой электрической проводимостью, характеризуются умеренной стоимостью.
Энергетическая диаграмма ионисторов
По плотности мощности и плотности энергии ио-нисторы заполняют нишу между аккумуляторными батареями и электролитическими конденсаторами. Ионисторы решают проблему обеспечения пиковой
ионисторы Epcos
10 000 s
1000 s
NiMH Li-Ion
6
10
1
0.1
0.01
аккумуляторы
будущее поколение ионисторов
электролитические конденсаторы
10
100
1000
10 000
Плотность мощности, Вт/кг
Рис. 1. Сравнительная диаграмма энергетического потенциала аккумуляторов, электролитических (алюминиевых) конденсаторов и ионисторов.
мощности источников питания. Это особенно актуально для инновационных областей силовой электроники.
Основное назначение — питание нагрузки большим током
Известно, что исправная аккумуляторная батарея может обеспечивать питание некоторого устройства (нагрузки) в течение длительного промежутка времени (измеряемого часами). При этом аккумулятор поддерживает необходимый номинальный (рабочий) ток питания. Однако пусковое значение тока нагрузки обычно выше номинального. Обеспечение повышенного тока — нелегкая задача для аккумулятора, особенно если он (по различным причинам) не до конца заряжен. Недостаточный пусковой ток — частая проблема старых аккумуляторов, для которых характерен саморазряд (утечка).
Кроме того, аккумулятор является инерционным источником тока с большим временем доступа к запасенной энергии. Частые разряды аккумулятора большим током и эксплуатация недозаряженного аккумулятора приводят к его быстрому выходу из строя.
С другой стороны, алюминиевые электролитические конденсаторы, которые обычно применяют в бесперебойных источниках питания (ИРБ), инверторах и приводах двигателей, обеспечивают значительный уровень тока лишь в миллисекундном интервале времени, что исключает возможность их использования в качестве источника питания. Время же разряда ионисторов измеряется в секундах, поэтому они хорошо подходят для кратковременного питания устройств большим током.
Обычно ионисторы применяют для питания устройств постоянным током заданной величины (рис. 2).
Приведенную характеристику не следует путать с характеристикой саморазряда ионистора (рис. 3).
Большой кратковременный ток заданной величины (сотни ампер) часто необходим для питания современного оборудования. Ионисторы не рассчитаны на полную замену аккумуляторов. Однако их применение эффективно для питания устройств в
1 Другие названия: ультраконденсатор, суперконденсатор, конденсатор с двойным электрическим слоем (ДЭС), электрохимический конденсатор (ЭХК) и т. п.
2 Дословный перевод с английского — «ультраконденсатор»
(Прим. авт.).
Компоненты и технологии, № 2'2002
течение коротких промежутков времени, например для пуска двигателей внутреннего сгорания в автомобилях.
Дополнительные преимущества ионисторов
В отличие от аккумуляторов, действие которых основано на отложении химических элементов на электродах, ионисторы фирмы Epcos реализуют чисто физический (электростатический) принцип работы. Заряд/разряд ионистора происходит за счет смещения ионов электролита в поле заряженных электродов. Поэтому ионистор успешно функционирует в цепях с частым электрическим зарядом/разрядом (число циклов — более 1 000 000). Аккумулятор же обычно выдерживает не более тысячи циклов заряд-разряд с полным предварительным зарядом в каждом цикле.
Кроме того, для аккумулятора весьма нежелательны пульсация напряжения и глубокий разряд, которые не опасны для ионистора. Ионисторы Epcos хотя и являются полярными элементами (полярность обозначена соответствующим символом на корпусе элемента, как у электролитических конденсаторов), но, в отличие от аккумуляторов, приложение обратного напряжения не оказывает негативного воздействия.
Еще одним слабым местом аккумуляторов является их плохая работа при низких температурах, отсюда — известные проблемы запуска двигателя в зимнее время. Ионисторы остаются работоспособными при отрицательной температуре. Гарантированный нижний предел рабочих температур ионисторов Epcos -30 °C. Если, например, автомобиль оставить на ночь на морозе (вне гаража), то установ--------------------www.finestreet.ru -
ленные в нем ионисторы благодаря широкому диапазону температур хранения не пострадают.
За счет большой эквивалентной площади обкладок вес и габаритные размеры ионисторов существенно меньше размеров литиевых элементов и аккумуляторов. В свою очередь, ионисторы фирмы Epcos — мирового лидера в производстве широкого спектра конденсаторов на основе передовых технологий — отличаются особенной компактностью и плотностью энергии. Благодаря своим малым размерам ионисторы Epcos могут также использоваться в качестве основных питающих элементов в различных слаботочных электрических схемах: часы, калькуляторы электронные игры, устройства дистанционного управления, микрокомпьютеры, радиоприемники и т. п. Их преимуществом перед гальваническими (литиевыми и т. п.) элементами являются возможность повторного заряда и отсутствие экологически вредных наполнителей и компонентов.
Области применения ионисторов Epcos
1. Автотранспорт:
• для запуска дизельных двигателей и двигателей внутреннего сгорания;
• для снижения расхода топлива за счет регенерации энергии при торможении автобусов и легковых автомобилей.
2. Железнодорожный транспорт:
• для запуска дизельных двигателей локомотивов;
• метро, трамваи.
3. Электромобили:
• гибридного типа (HEV);
• автомобили на топливных элементах (FCEV);
• применение в составе интегрированных стартовых генераторов (ISG).
4. Бесперебойные и резервные источники питания (UPS).
5. Возобновляемые источники питания (ветряные генераторы и солнечные батареи).
6. Пейджеры и сотовые телефоны (питание большим током в момент вызова абонента и перегрузки основного питающего элемента).
7. Электропривод.
8. Различное оборудование в областях медицины, бытовой электроники, телекоммуникаций, промышленности, производства и др.
Конструкция ионистора
Конструктивно ионистор состоит из двух электродов (см. также рис. 5), погруженных в электролит1. Электроды ионисторов Epcos выполнены из активированного угля, покрыты алюминиевой фольгой и разделены диэлектриком (бумага, полимер или стекловолокно). Кроме того, электроды имеют сегментированную структуру, что обеспечивает большую мощность, отдаваемую в нагрузку, и малые потери энергии. Сегментированная структура определяет форму корпуса ионистора, которая близка к призматической. Такая форма является благоприятным фактором для компактной сборки ионисторных элементов в модули.
О
о Й° о°о
о IgcC
о
о яРоФ
о В® ©cg
о
KJ о В°0 5
о В® о>
о
у о §©о *5
ООО О О
о о о о
. электроды
О
^ — электролит
►ионы электролита
строение двойного О I электрического Q слоя
о
Рис. 4. Конструкция ионистора
Корпус ионистора Epcos выполнен из алю-миния2, благодаря чему прибор лучше защищен от внешних воздействий и диффузии электролита3, чем в случае использования пластмассового корпуса. Кроме того, в крышке корпуса предусмотрен предохранительный клапан (см. габаритный чертеж изделия в каталоге Epcos), через который при нарушении условий эксплуатации (при повышенном давлении) удаляется избыточный газ.
1 При напряжениях выше 1 В (в частности, при 2,3 В), для исключения газовыделения в ионисто-рах используется органический электролит (с высокой проводимостью).
2 Пластмасса здесь используется только для электрической изоляции выводов.
3 Что привело бы к высыханию электролита и увеличению сопротивления ББЯ.
Компоненты и технологии, № 2'2002
электроды из активированного угля
отрицательный электрод
алюминиевая фольга
разделитель
разделитель
электролит
положительный алюминиевая фольга электрод
Рис. 5. Ионистор Epcos в разрезе
Технология производства ионисторов Epcos дает возможность их длительного хранения на складе без изменения параметров (обычно свойственного аккумуляторам), увеличенный срок эксплуатации, сверхнизкое значение и высокую стабильность эквивалентного последовательного сопротивления (ESR), а также отсутствие требований по техническому обслуживанию и специальной утилизации.
Свойства ионисторов Epcos
Электрические свойства
• Высокая плотность энергии.
• Допустим быстрый заряд большим током.
• Допустим заряд током различного уровня при различных токовых режимах (допустим непостоянный ток заряда).
• Допустимы сверхвысокие токи разряда.
• Защита от глубокого разряда.
• Длительный срок эксплуатации.
• Число рабочих циклов — несколько миллионов.
• Защита от неправильной полярности по питанию.
• Сверхнизкое стабильное сопротивление ESR.
• Расширенный диапазон рабочих температур. Физические свойства
• Малый вес и габариты.
• Предохранительный клапан избыточного давления.
• Защита от утечек.
• Вибростойкость.
• Без наполнителей и компонентов, вредных для окружающей среды, в том числе без полихлорированного бифенила PCB (PolyChlorinated Biphenyls) и тяжелых металлов Cd, Ni, Pb.
• Не загрязняет окружающей среды.
Вопросы заряда/разряда
Простейший способ заряда ионистора — при постоянном напряжении (максимально допустимое значение тока см. в табл. 2). Значение зарядного тока ограничено только внутренним сопротивлением заряжающего устройства, так как внутреннее сопротивление самого ионистора крайне мало.
Разряд ионистора можно производить при любом уровне накопленного в нем заряда. При этом и заряд, и разряд можно прервать в любой момент и это не повредит ио-нистору. В результате несмотря на то, что верхний предел номинального напряжения этих устройств совпадает с напряжением аккумуляторов, ионисторы можно использовать во всем диапазоне напряжений от 0 до 2,3 В. Таким образом, обеспечивается совместимость с другими, батарейными элементами.
Ввиду отсутствия жесткого лимита по напряжению, ионисторы способны кратковременно поддерживать:
1) необходимый повышенный уровень мощности (от номинального);
2) мощность, недостающую до номинальной (при использовании в качестве резервного элемента электрической цепи при случайном дефиците энергии основного источника мощности).
Влияние повышенного напряжения и температуры
В течение ограниченного интервала времени напряжение на ионисторе может превышать номинальное (2,3 В), но такой режим работы сокращает срок эксплуатации изделия. На рис. 6 изображен характер зависимости среднего срока эксплуатации (в годах) от приложенного напряжения (в Вольтах) и окружающей температуры.
Превышение напряжения является неблагоприятным фактором для ионисторов. С другой стороны, эксплуатация в недонапря-женном режиме влечет за собой снижение их полной мощности.
Справочные данные по ионисторам фирмы Epcos
Корпорация Epcos производит как отдельные ионисторы (ионисторные элементы, табл. 1 и 2), так и готовые ионисторные модули, изготовленные на их основе (табл. 3). Все ионисторные элементы Epcos рассчитаны на номинальное напряжение 2,3 В.
Компоненты и технологии, № 2'2002
Таблица 1. Сводная таблица ионисторов Epcos (таблица ионисторных элементов)
Номер изделия Емкость, Ф Запасенная энергия, Дж Вес, г Особенности Размеры, мм
B49100-F1503-Q000 5 13,2 5,5 Штыревые луженые выводы 4,75x22,75x14,75
B49100-A1104-Q000 10 26,5 6,4 Штыревые луженые выводы 4,7x23,5x29,0
B49200-L1105-Q000 100 265 37 Плоский штыревой разъем (клемма) 17x34x55
B49200-F1125-Q000 120 317 37 Плоский штыревой разъем (клемма) 17x34x55
B49300-A1605-Q000 600 1587 290 Резьбовой разъем, резьба М6 33x61x91
B49300-F1126-Q000 1200 3174 420 Резьбовой разъем, резьба М6 33x61x158
B49300-L1276-Q000 2700 7142 725 Резьбовой разъем, резьба М6 6 5 61
Таблица 2. Технические характеристики ионистора (спецификация) на примере B49300-L1276-Q000 (2700 Ф/2,3 В)
Параметр Величина
Номинальная емкость* 2700 Ф
Допуск емкости -10...+30 %
Номинальное напряжение 2,3 В
Плотность мощности (при согласованной нагрузке) 3040 Вт/кг; 3700 Вт/дм3
Номинальный ток (при 25 °С) 400 А
Запасенная энергия (при номинальном напряжении) 7142 Дж
Плотность энергии (при номинальном напряжении) 2,74 Вт-час/кг; 3,33 Вт/дм3
Импульсное перенапряжение 2,7 В
Макс. ток утечки (12 час., 25 °С) 6 мА
Макс. (последовательное) сопротивление БЭР 600 мкОм
Макс. (последовательное) сопротивление БЭР при постоянном токе 1000 мкОм
Вес 725 г
Объем 0,60 дм3
Диапазон рабочих температур -30...+70 °С
Диапазон температур хранения -40...+70 °С
Срок эксплуатации (при номинальном напряжении и 25 °С) 90 000 ч Критерий пригодности к эксплуатации: |АС|> 20 % исходного значения или ББР > 200 % или !|£ (ток утечки) выше заданного значения
Срок эксплуатации, циклический режим** (при номинальном токе 100А и 25 °С) 150 000 ч
Примечания:
*Разряд с постоянным током1 при окружающей температуре 25 °С.
**Один цикл состоит из заряда до номинального напряжения, паузы 30 с, разряда до 0 В, паузы 30 с и т. д.
Таблица 3. Сводная таблица ионисторных модулей Epcos
Емкость, Ф Номинальное напряжение, В Номер изделия Особенности Размеры, мм
450 14 B48700-F4455-Q006 Плоский штыревой разъем (клемма) с резьбой М6 123x184x173
67 42 B48720-B7674-Q018 Плоский штыревой разъем (клемма) с резьбой М6. Встроенная схема Активного баланса напряжения 213x196x192
100 56 B48710-A9105-Q027 Стойка 19". Встроенная схема резистивного баланса напряжения 360x440x220
Ионисторные модули Epcos
Для получения ионисторов с номинальным напряжением выше 2,3 В, а также с заданной энергией и плотностью энергии (мощностью), фирма Epcos производит так называемые ионисторные модули, образованные последовательным соединением нескольких отдельных ионисторных элементов (из табл. 1). Конструктивно элементы легко соединяются в модули благодаря специальной технологии электродов, обеспечивающей максимальную отдаваемую мощность каждого элемента, а также малые потери.
Следует отметить, что при соединении ио-нисторных элементов в модули для нормального функционирования модуля необходимо обеспечить одинаковый уровень напряжения на зажимах этих элементов. Поэтому использование готовых модулей Epcos представляется предпочтительным: производитель сам гарантирует штатное
1 DCC-разряд (Discharging with Constant Current).
функционирование модуля в различных режимах питания нагрузки.
С другой стороны, при желании снизить стоимость ионисторного модуля, разработчик может воспользоваться специальным элементом (схемой) активного баланса, предоставляемым фирмой Epcos.
Ионисторные модули Epcos с учетом их характеристик являются уникальным в своем роде продуктом на российском рынке.
Баланс напряжения ионисторных элементов
Необходимым условием штатного функционирования ионисторных элементов при их соединении (обычно последовательном) является одинаковый уровень напряжения на зажимах этих элементов. Для гарантированного обеспечения равного напряжения возможно применение схем так называемого пассивного или активного баланса (а также комбинированного).
1. Пассивный баланс напряжения. Производится параллельным подсоединением резисто-
ра к зажимам ионисторного элемента. Пассивный баланс рекомендуется:
а) при отсутствии ограничений на уровень тока замкнутой цепи;
б) при необходимости питания нагрузок в продолжительный период времени (например, в источниках бесперебойного питания).
2. Активный баланс напряжения. Параллельно каждому ионисторному элементу подключают устройство активного баланса (печатная плата с микросхемой компаратора и резистивными делителями).
Принцип действия и схема устройства активного баланса
Компаратор обладает встроенным эталонным источником напряжения Иге£ и весьма низким диапазоном питающего напряжения (рис. 7). При превышении напряжения на ионисторе иС среднего значения напряжения подключенных элементов компаратор замыкает ключ 8 и происходит шунтирование ИС током примерно 800 мА через резистор ИЬур. После выравнивания между ИС и
Компоненты и технологии, № 2'2002
средним значением напряжения подключенных элементов ключ размыкается.
Рис. 7. Схема устройства активного баланса
Рис. 8. Диаграмма баланса 1200 Ф при 3 В
Спецификация устройства активного баланса В44069-А1235^001
Параметр Величина
Напряжение порога (иТН) 2,35 В
Допуск -2...+2 %
Гистерезис ±10 мВ
Рабочее напряжение (УОР) -0,2...+3,5 В
Импульсное напряжение 5,5 В
Сопротивление ББР (иОР>иТН) 3 Ом
Сопротивление ББР (УОР<УТН) 15 Ом
Вес 3 г
Диапазон рабочих температур -40...+85 °С
Диапазон температур хранения -55...+125 °С
Размеры, мм 43x28x4
Активный баланс рекомендуется:
а) если требуется ограничение тока замкнутой цепи;
б) при циклическом режиме работы ионис-торного модуля (например, в автомобильных применениях).
3. Комбинированный баланс используется при отклонении напряжения от номинального:
а) схемы пассивного баланса — при низком напряжении (1,7 В), в случае быстрых разрядов или разрядов большим током;
б) схемы активного баланса — для защиты от импульсного напряжения (и>2,5 В).
Примечания:
1. Не требует дополнительного источника питания.
2. Устанавливается вместе с соединительными шинами элементов модуля.
3. Неправильная полярность может повредить микросхемы устройства.
Примеры баланса ионисторных элементов
Пример 1 (рис. 8). Диаграмма баланса 1200 Ф при 3 В.
Показана зависимость напряжения Ис (В) от времени (мин).
Цветом обозначено:
Красный — пассивный баланс 120 Ом. Зеленый — активный баланс.
Белый — ключ замкнут.
Cell vlltage balancing «activ» comparator
Cell vlltage
balancing
«passiv»
Рис. 9. Схема комбинированного баланса при последовательном подключении ионисторов
Желтый — ключ разомкнут.
Пример 2 (рис. 9). Схема комбинированного баланса при последовательном подключении ионисторов.
Цветом обозначено:
Зеленый — элементы пассивного баланса.
Желтый — элементы активного баланса.
Элементы как активного, так и пассивного баланса подключены параллельно.
Пример 3 (рис. 10). Схема комбинированного баланса при параллельном подключении ионисторов.
Цветом обозначено:
Зеленый — элементы пассивного баланса.
Желтый — элементы активного баланса.
Элементы как активного, так и пассивного баланса подключены параллельно.
Рис. 10. Схема комбинированного баланса при параллельном подключении ионисторов
