CC BY
91Компоненты и технологии, № 1'2004
Ультраконденсаторы
Maxwell Technologies
Конденсаторы сверхбольшой емкости вошли в нашу жизнь сравнительно недавно. Необходимы они в первую очередь там, где требуется постоянная поддержка напряжения питания, а надежность и ресурс аккумуляторов оказываются недостаточными. Самое известное и распространенное на сегодняшний день применение — материнские платы персональных компьютеров, где ионисторы позволяют обеспечивать дежурный режим и сохранять информацию при пропаданиях сетевого напряжения.
Андрей Колпаков
kai@megachip.ru
Особенности и область применения ультраконденсаторов БООБТСДР
По сравнению с обычными электролитическими конденсаторами и аккумуляторами ультраконденсаторы имеют следующие преимущества:
d) Бытовая электроника Рис. 1. Области применения ультраконденсаторов BOOSTCAP
• высокое значение плотности мощности и удельной энергии;
• большой ток заряда-разряда;
• возможность полного разряда;
• большой срок службы и высокая стойкость к многократным циклам перезаряда;
• стойкость к перемене полярности;
• устойчивость к короткому замыканию;
• низкое значение эквивалентного последовательного сопротивления (ESR);
• широкий диапазон рабочих температур;
• высокая стойкость к механическим воздействиям;
• экологичность (при изготовлении не используются тяжелые металлы — Cd, Ni, Pb).
Компания MAXWELL Technologies является одним из лидирующих производителей ультраконденсаторов (их еще называют «ионисторы», «суперконденсаторы» или «электролитические двухслойные конденсаторы»).
В отличие от аккумуляторов, в основе действия которых лежат химические реакции, ультраконденсаторы реализуют электростатический принцип работы. Заряд-разряд ионистора происходит за счет смещения ионов электролита в поле заряженных электродов. Поэтому ионисторы успешно функционируют в цепях с часто повторяющимся циклом перезаряда.
Кроме того, для аккумуляторов крайне нежелательным режимом является глубокий разряд, который не опасен для ионисторов. Ультраконденсаторы хотя и являются полярными элементами (полярность обозначена соответствующим символом на корпусе элемента), но, в отличие от аккумуляторов и электролитических конденсаторов, приложение обратного напряжения не оказывает на них негативного воздействия. В отличие от аккумуляторов ионисторы имеют более широкий температурный диапазон.
Ультраконденсаторы BOOSTCAP разработаны для применения в автомобильной технике, электротранспорте, промышленности и других облас-
Компоненты и технологии, № 1'2004
Таблица 1. Сравнительные характеристики конденсаторов и аккумуляторов
Параметр Свинцово-кислотные аккумуляторы Ультраконденсаторы Конденсаторы
Время заряда 1-5 ч 0,3-30 с 10-3- 106
Время разряда 0,3-3 ч 0,3-30 с 10-3- 10-‘
Удельная энергия, Вт ч/кг 10-100 1-10 <0,1
Количество циклов перезаряда 103 >5х105 >5х105
Удельная мощность, Вт/кг <103 <104 <105
Эффективность цикла заряд-разряд 0,7-0,85 0,85-0,98 >0,95
Таблица 2. Основные характеристики ультраконденсаторов БООБТСЛР (5х105 циклов перезаряда, диапазон рабочих температур -40...+70 °С, срок службы — не менее 10 лет]
Тип Макс. емкость, Ф Напряжение, В Ток, А ES, Дж БвкРО, мОм Внешний вид
PC5
PC5-5
PC10
PC100-E
BCAP0013
BCAP0014
BCAP0008
BCAP0010
PC2500
BM0D0H5
(модуль)
BM0D0117
(модуль)
10
100
450
900
1800
2600
2700
145
435
2,5
2,5
2,5
2,5
2,5
2,5
2,5
2,5
42
14
2,5
25
180
250
450
600
625
600
600
25
300
1406
2813
5625
8125
8400
800
400
180
13
2,4
1,6
0,9
0,7
10
Примечания: ЕБ — энергия, запасаемая конденсатором,
ЕБ1?0С — эквивалентное последовательное сопротивление постоянному току.
PC 5
2.sv 4 F
Ш -
%
%
тях, где требуется автономное электропитание, а источник питания работает в режиме постоянных больших токов заряда-разряда. В таких условиях срок службы аккумуляторных батарей значительно сокращается, и применение конденсаторов сверхбольшой емкости позволяет во много раз увеличить
их ресурс. Ультраконденсаторы BOOSTCAP, работая совместно с аккумуляторными батареями (АКБ), способны обеспечить высокое значение постоянной потребляемой мощности, а также надежность и долговечность в условиях постоянных пиковых перегрузок. В таблице 1 даны сравнительные характерис-
тики ультраконденсаторов, конденсаторов и аккумуляторов, а в таблице 2 приведены основные технические характеристики конденсаторов, выпускаемых компанией Maxwell.
Ультраконденсаторы по своим свойствам близки к обычным конденсаторам и отличаются от аккумуляторных батарей следующим:
• не имеют фиксированного напряжения, поэтому необходимо ограничивать уровень напряжения при заряде;
• разряд и уровень напряжения при разряде не ограничены;
• при любом напряжении способны отдавать полный ток, ограниченный только величиной рассеиваемой мощности;
• могут заряжаться при любом значении тока, скорость заряда dV/dt определяется током заряда ICh в соответствии с выражением ICh = CxdV/dt.
Ультраконденсаторы серии Small Cell (РС5, РС10, РС100) разработаны для использования в системах батарейного питания цифровых видеокамер и в маломощных источниках бесперебойного питания. При использовании ультраконденсаторов в данных устройствах обеспечиваются необходимые значения пиковых токов, исключается повреждение при коротком замыкании, повышается надежность. Ультраконденсаторы многократно продлевают срок службы батарей.
АКБ, применяемые на электротранспорте, работают в условиях больших значений пиковых токов, особенно при пуске и торможении, и находятся в режиме постоянного перезаряда. Ультраконденсаторы серии Large Cell (ВСАР, РС2500) способны решить большинство проблем, возникающих при питании транспортных электроприводов. Применение ультраконденсаторов исключает отказ батарей в любых аварийных режимах, продлевает срок службы батарей и допустимое количество циклов перезаряда. Они также позволяют уменьшить вредные излучения батарей и повышают их КПД. Ультраконденсаторы Maxwell повышают эффективность режима рекуперации энергии при торможении, так как обладают гораздо большей поглощающей способностью, чем аккумуляторы. Измерения показывают, что КПД источника питания, содержащего ультраконденсаторы, возрастает на 50%, а излучение ангидрида азотной кислоты снижается более чем на 50%.
Ультраконденсаторы BOOSTCAP идеально подходят для применения в качестве резервных источников во вторичных источниках питания и источниках бесперебойного питания (UPS), обеспечивая при этом поддержание напряжения на время провалов напряжения, временных отключений, повреждений источника основного питания.
Модули BMOD0115 и BMOD0117 предназначены для использования в устройствах с напряжением питания 12/42 В. Они содержат соединенные последовательно ультраконденсаторы BOOSTCAP, схему балансировки (активную AV или пассивную PV) и систему охлаждения. Напряжение на вен-
2
5
4
13
31
Компоненты и технологии, № 1'2004
Батарея - ультра конденсаторов»
Батарея топливных элементов ^Электрохимический генератор
Электродвигатель^
Рис. 2. Устройство «водородного» электромобиля Honda FCX
тилятор системы охлаждения (12 В) подается от внешнего источника.
Схема активной балансировки сравнивает напряжение двух соседних элементов модуля и осуществляет распределение заряда между ними таким образом, чтобы разница напряжений не превышала заданного значения. Схема активной балансировки может быть отключена тумблером на передней панели модуля.
Схема пассивной балансировки представляет собой набор прецизионных уравнивающих резисторов, установленных параллельно конденсаторам. Сопротивление резисторов выбрано так, чтобы ток через них превышал номинальный ток саморазряда конденсаторов примерно в 20 раз. Естественно, что использование пассивной схемы увеличивает общий ток утечки и такой модуль нуждается в частой подзарядке. Среднее время разряда конденсаторов модулей БМОБ до 80% с пассивной балансировкой составляет около 2 суток, хотя сами конденсаторы разряжаются до такого же уровня в течение 30-45 дней.
Модули БМОБ0115 и БМОБ0117 предназначены для применения в автомобильной технике (в том числе в гибридомобилях и электромобилях), медицинской аппаратуре, источниках бесперебойного питания и других применениях, работающих с большими импульсными токами. Модули в сочетании с аккумуляторной батареей могут использоваться в устройствах, потребляющих небольшую мощность в рабочем режиме и требующих больших импульсных токов при перегрузках.
Модули ультраконденсаторов незаменимы в применениях, которые должны сохранять работоспособность при длительных перерывах в энергоснабжении. При этом они имеют более высокую надежность, температурную стабильность и циклическую устойчивость, чем аккумуляторы.
Идея использовать батарею конденсаторов параллельно автомобильному аккумулятору не нова. Преимущества такой схемы очевидны — пиковые токи обеспечивают конденсаторы, имеющие практически нулевое выходное сопротивление, а постоянное питание берется от АКБ. Ток, потребляемый стартером при пуске, может составлять сотни ампер, особенно при отрицательных температурах. При использовании стандартного кис-
Высоковольтные конденсаторы
Ультраконденсаторы BOOSTCAP являются одной из новейших разработок фирмы Maxwell Technologies, которая давно известна как производитель высоковольтных конденсаторов для линий электропередач. Благодаря постоянным исследованиям и большому опыту, накопленному в области высоковольтных технологий, конденсаторы Maxwell используются производителями электроэнергии во всем мире, в том числе и в России.
лотного аккумулятора его напряжение в момент запуска резко падает из-за высокого выходного сопротивления, что снижает эффективность запуска двигателя и сокращает ресурс аккумулятора. Конденсаторы лишены этого недостатка, а их способность к циклическому заряду-разряду практически неограниченна. При параллельной схеме срок службы АКБ возрастает многократно, она может иметь меньшую емкость и, соответственно, размер. Ранее реализация такой схемы была затруднена из-за отсутствия малогабаритных конденсаторов с высокой емкостью. С появлением ультраконденсаторов проблема оказалась решенной не только для систем электропитания «обычных» автомобилей, но и для новейших поколений гибридомоби-лей, подобных показанному на рис. 2 автомобилю на водородных топливных элементах — Honda FCX.
Под полом Honda размещен электрохимический генератор, заключенный в герметичную защитную капсулу. В самом безопасном месте, под задним сиденьем, спрятаны два трехслойных баллона (алюминий, углево-локно плюс стекловолокно) со сжатым водородом. Баллоны и генератор окружены мощным силовым каркасом из усиленных лонжеронов. Под водительским креслом — батарея так называемых топливных элементов (fuel cells). Пакет полимер-электролитных мембран синтезирует воду из водорода и кислорода, нагреваясь при этом до 95 °С и выделяя до 80 кВт электроэнергии. Избыточное тепло рассеивается радиатором, как иу обычных автомобилей, и используется для отопления салона. А электричество питает 68-киловаттный электромотор, который приводит передние колеса.
Поддерживать неплохую динамику в рваном «городском» режиме езды помогает не только специфическая моментная характеристика электромотора (с максимальной тягой «в нуле»), но и свойства накопителя электроэнергии. Honda впервые в мире использует в качестве основного источника питания не литий-ионные или никельме-таллгидридные батареи, а ультраконденсаторы, которые быстрее заряжаются и моментально отдают энергию. Практически неограниченный ток перезаряда необходим для обеспечения динамических характеристик электропривода.
Основные характеристики высоковольтных конденсаторов Maxwell:
• номинальная емкость — 200-30000 пФ;
• номинальное напряжение — 9-250 кВ;
• испытательное напряжение — до 560 кВ;
• импульсное напряжение — до 1000 кВ
(250/2500 мкс).
Заключение
Задолго до того, как в мире были приняты стандарты по защите экологии, Maxwell исключил из технологических процессов все компоненты, которые могут причинить вред окружающей среде. Вся продукция фирмы сертифицирована по стандартам ISO 14001 и 9001, что позволяет использовать ее на транспорте, где чрезвычайно высоки требования по устойчивости к климатическим и механическим воздействиям, а также в специальной технике. Конденсаторы серий РС5, РС10, РС100, РС1000 аттестованы на соответствие требованиям стандарта MIL-STD-810 и испытаны на устойчивость к воздействию гамма-излучения.
Ультраконденсаторы Maxwell нашли свое применение в уникальной разработке фирмы Boeing — спутниковой системе связи CSEL (Combat Survivor Evaded Locator), предназначенной для спасения экипажей с попавших в аварию или сбитых в ходе боевых действий самолетов. Одним из основных требований, предъявляемых к данной системе, является необходимость сохранения информации при повреждении или замене батарей. Перебои питания в системах обеспечения безопасности, подобных CSEL, и вызванная этим потеря информации совершенно недопустимы.
Фирма SmartSynch Inc., специализирующаяся на производстве автоматических измерительных комплексов AMR, использовала ультраконденсаторы BOOSTCAP PC10 в своей новейшей разработке — беспроводной измерительной системе A3 ALPHA meter. Размеры источника питания, его надежность и стабильность параметров, долговечность, спо-
Компоненты и технологии, № 1'2004
собность выдерживать импульсные перегрузки являются ключевыми требованиями для данного устройства. Срок службы свинцово-кислотных или ионно-литиевых батарей, составляющий 3-5 лет, является недостаточным для новой измерительной системы. Неприемлемы также вес данного типа АКБ, температурный диапазон работы и сложность обслуживания. Использование конденсаторов РС10 позволило сократить размер батарей и увеличить их ресурс до 10 лет.
Но несомненно, что самым перспективным применением для ультраконденсаторов является электротранспорт и автомобили с гибридным приводом (HEV — Hybrid Electric Vehicle), сочетающим возможности двигателя внутреннего сгорания и электромотора. Производители гибридомобилей крайне заинтересованы в альтернативных источниках электропитания, которые «об-
легчали бы жизнь» АКБ, принимая на себя токовые перегрузки, возникающие при работе электропривода. Наибольшие токовые нагрузки батарея электромобиля испытывает при разгоне и торможении, когда привод работает в режиме рекуперации. Ни один из традиционно используемых типов аккумуляторов не способен обеспечить приводу необходимую динамику. Кроме того, срок службы АКБ резко сокращается в режиме постоянного перезаряда. Применение ультраконденсаторов, обеспечивающих перегрузочные режимы, полностью решает указанные проблемы. Они способны обеспечить приводу резкий разгон и рекуперацию энергии в режиме торможения, увеличить срок службы АКБ в несколько раз. Кроме того, применение ультраконденсаторов позволяет снизить токсичность отработанных газов, повысить топливную экономичность
и эффективность работы электропривода. По сравнению с дизельным двигателем гибридная силовая установка, использующая параллельную работу АКБ и конденсаторов, может снизить потребление топлива до 50%, уменьшить выбросы аэрозолей и твердых частиц в выхлопе более чем на 90%, а выделение окиси азота NO — на 50%.
Более подробную информацию о продукции фирмы Maxwell Technologies можно получить на сайте www.maxwell.com. МИ
Литература
1. Материалы сайта www.maxwell.com.
2. Л. Голованов. Власть машин // Авторевю. 2003. № 21.
3. C. Пряхин. Компоненты для силовой электроники корпорации Epcos AG // Компоненты и Технологии. 2003. № 7.
