Проблеми експлуатації суперконденсаторів - іоністор

Конденсатор нового покоління - іоністор (застосування)

ІОНІСТОР

Ключові слова: БАЛАНСУВАННЯ, ІОНІСТОР, НАКОПИЧУВАЧ ЕЛЕКТРИЧНОЇ

ЕНЕРГІЇ, СИСТЕМА КОНТРОЛЮ, СИСТЕМА УПРАВЛІННЯ, МОНІТОРИНГ,

СУПЕРКОНДЕНСАТОР.

Вступ

Застосування суперконденсаторів з кожним роком стає все більш поширеним, в зв'язку з чим до них пред'являються нові вимоги щодо збільшення часу живлення електрообладнання. Суперконденсатори - нові типи енергоємних конденсаторів, ємність і потужність яких в кілька разів перевищує звичайні конденсатори. У статті розглядаються основні проблеми та особливості експлуатації суперконденсаторів в складі електрообладнання різної техніки. При створенні іоністорів високої ємності шляхом з'єднання декількох елементів в послідовні і паралельні ланцюги виникає ряд труднощів, пов'язаних з розкидом параметрів окремих елементів. Максимальний термін експлуатації суперконденсаторів визначається параметрами, що впливають на її енергетичні характеристики і термін служби.

Існують різні варіанти побудови іоністорів, кожен з яких має певними перевагами і недоліками. У статті наведені приклади п'яти систем вирівнювання напруги на окремих осередках суперконденсаторів; визначені критерії вибору струму для пасивного способу балансування за допомогою шунтуючих резисторів, а також приведена схема його поліпшеного варіанта; розглянуті основні достоїнства і недоліки активних методів балансування; обґрунтовано доцільність застосування активної і пасивної системи балансування під час розряду іоністору.

Порівняльний аналіз методів вирівнювання напруги на осередках виявляє проблеми конденсаторного способу балансування, вирішення яких дозволить оптимізувати його для різної електричної техніки. В даний час іоністори знаходять широке застосування в повсякденному житті людей в якості джерел живлення мікросхем пам'яті, електрохімічних джерел струму, згладжуючих фільтрів і т.д.

Застосування іоністорів:

1. Акумуляторні батареї - авіація, автотранспорт, тяговий і громадський

транспорт, в тому числі і рейковий.

2. В якості пристроїв резервного живлення - телевізори, СВЧ-печі.

3. Резервне живлення пристрою, що запам'ятовує під час зміни батареї -

відеокамери, плати пам'яті.

4. Живлення мікросхем пам'яті установок тюнера - музичні центри.

5. Резервне живлення мікросхем пам'яті для зберігання номерів абонентів -

телефони.

6. Охоронна сигналізація

7. Електронна вимірювальна техніка: електролічильники, електронні

вимірювальні прилади.

Історія появи суперконденсаторів

Перший конденсатор з подвійним шаром на пористих вугільних електродах був запатентований в 1957 році фірмою General Electric. Так як точний механізм до того моменту часу не був зрозумілий, було припущено, що енергія запасається в порах на

електродах, що і призводить до утворення "виключно високої здатності накопичення заряду". Трохи пізніше, в 1966, фірма Standard Oil of Ohio, Cleveland (SOHIO), USA запатентувала елемент, який зберігав енергію в подвійному шарі.

Зіткнувшись з фактом невеликого обсягу продажів, в 1971 році SOHIO передала ліцензію фірмі NEC, якій вдалося вдало просунути продукт на ринку під ім'ям «Supercapacitor» (Суперконденсатор). У 1978 році фірма Panasonic випустила на ринок «Gold capacitor» ( «Gold Cap») «Золотий конденсатор», що працює на тому ж принципі.

Ці конденсатори мали відносно високий внутрішній опір, який обмежує віддачу енергії, так що ці конденсатори застосовувалися тільки як накопичувальні батареї для SRAM. Іоністори в Україні були анонсовані в журналі "Радіо" № 5 в 1978 році. Це були іоністори КІ1-1 і вони мали ємність від 0,1 до 50 Ф в залежності від типорозміру. Перші іоністори з малим внутрішнім опором для застосування в потужних схемах були розроблені фірмою PRI в 1982 році. На ринку ці іоністори з'явилися під ім'ям «PRI Ultracapacitor».

Типи суперконденсаторів

Існуючі типи суперконденсаторів, незважаючи на велику їх різноманітність, підрозділяють на три типи:

1. Іоністор з ідеально поляризованими вуглецевими електродами ( "ідеальні" іоністори). Як електрохімічні системи їх можна записати, наприклад, наступним чином:

- С / 30% водний розчин КОН / С +;

- С / 38% водний розчин Н2SO4 / C +;

- C / Органічний електроліт / С +.

У цьому типі іоністорів на електродах в робочому інтервалі напругою не протікають електрохімічні реакції, які накладають відомі обмеження на швидкість зарядки і розрядки, тому за величиною енергії і потужності, температурному діапазону і кількості циклів вони ближче інших типів до області 2-их оксидно-електролітичних конденсаторів. Ємність іоністорів типу 1 являє собою ємність двох послідовно включених через еквівалентно послідовний опір (Rекв.) іоністорів СК і СА.

2. Іоністор з ідеально поляризованим вуглецевим електродом і неполяризуючим або слабо поляризованим катодом або анодом ("гібридні" іоністори).

Як електрохімічні системи їх можна записати, наприклад, наступним чином:

- Ag / Твердий електроліт RbAg4I5 / C +;

- С / 30% водний розчин КОН / NiOOH +

У цьому типі іоністорів на одному з електродів (катоді або аноді) протікає електрохімічна реакція (як в акумуляторах), тому їх називають гібридними суперконденсаторами (гібрид конденсатора і акумулятора). В конденсаторі з твердим електролітом RbAg4I5 реакція протікає на катоді: Ag ++ й? Ag0, а в конденсаторі з 30% водним розчином КОН реакція протікає на аноді: Ni + 2 - й?

Ni + 3.

Ємність іоністорів типу 2 в два рази вище, ніж іоністорів типу 1, так як ємність

неполяризуйочого електрода замкнута опором протікаючої електрохімічної реакції. Ця реакція накладає дифузійні та кінетичні

накладає обмеження на швидкість зарядки і розрядки іоністорів типу 2, тому за величиною питомої енергії і потужності, температурному діапазону і кількості циклів іоністори типу 2 ближче іоністорів типу 1 до області акумуляторів.

3. Псевдоконденсатори - це іоністори, на поверхні електродів яких при заряді і розряді протікають оборотні електрохімічні процеси (хемосорбція або інтеркаляція іонів, що містяться в електроліті). Як електрохімічні системи їх можна записати, наприклад, наступним чином:

- Ni (H) / 30% водний розчин КОН / NiOOH +;

- С (Н) / 38% водний розчин Н2SO4 / PbSO4 (РbO2) +.

За принципом накопичення енергії псевдоконденсатори можна віднести як до іоністорів (якщо енергія накопичується тільки в поверхневому шарі електродів), так і до акумуляторів (якщо енергія накопичується не тільки в поверхневому шарі,

але і в обсязі електродів).

Питома енергія псевдоконденсаторов завдяки протіканню електрохімічних реакцій на обох електродах можна порівняти з енергією, що накопичується в акумуляторах, проте величина питомої потужності і кількість циклів в режимі "зарядка розрядка" можуть бути на порядок вище того, що досягнуто в області акумуляторів, так як дифузійні та кінетичні обмеження вдається мінімізувати за рахунок збільшення площі поверхні електродів. За величиною питомої енергії і потужності, температурному діапазону експлуатації та кількості циклів псевдоконденсатори ближче всіх інших типів конденсаторів до акумуляторів.

Розподіл іоністорів на три типи дозволяє орієнтуватися у великому різноманітті цих виробів як за типом використовуваних електрохімічних систем, так і за експлуатаційними характеристиками.

Порівняльні характеристики акумуляторів, іоністорів і конденсаторів

Порівняльні характеристики накопичувачів електричної енергії в наочному вигляді прийнято розглядати в координатах "питома енергія Е (кДж / кг або Вт · год / кг; при цьому 3,6 кДж / кг = 1 Вт · год / кг) - питома потужність Р (кВт / кг)". На малюнку зображено такі характеристики і області перспективного розвитку деяких типів акумуляторів, іоністорів і конденсаторів з оксидними діелектриками в логарифмічному масштабі. Порівняльні характеристики електрохімічних накопичувачів електричної енергії. (Малюнок 1)

Мал. 1 Питома потужність

1 - область перспективного розвитку перезаряджаючих хімічних джерел струму (Акумуляторів); 2 - область перспективного розвитку енергонакопичуваних конденсаторів з діелектриками; 3 - область перспективного розвитку конденсаторів з

подвійним електричним шаром.

Акумулятори на цьому малюнку займають верхній лівий кут і охоплюють область 1 за величиною питомої енергії порядку 101-102 Вт · год / кг і по величині питомої потужності порядку 10-2-10-1 кВт / кг; оксидно-електролітичні конденсатори займають нижній правий кут і охоплюють область 2 по величині питомої енергії порядку 10-2- 10-1 Вт · год / кг і по величині питомої потужності порядку 101-102 кВт / кг, а характеристики іоністорів (область 3) розташовані між ними.

За кількістю циклів "зарядка-розрядка" (близько 104-106), А також за величиною діапазону робочих температур (від -50 до +85 ° С) іоністори також займають проміжне положення між акумуляторами і оксидно-електролітичними конденсаторами. Істотний недолік іоністорів і акумуляторів - низька робоча напруга. Для збільшення робочих напруг або ємності іоністори, так само, як і акумулятори, з'єднуються послідовно або паралельно в пакети (батареї, модулі).

Способи вирішення проблем експлуатації суперконденсаторів

Оскільки послідовно-з'єднані іоністори мають розкид параметрів (хоч і не значний), то з плином часу невідповідність параметрів збільшується. Стандартні зарядні пристрої контролюють тільки загальну напругу на всьому ланцюжку акумуляторів і забезпечують необхідний струм заряду. Розбіжність таких параметрів накопичувачів як ємність, внутрішній опір, струм витоку є причиною відмінності необхідного часу для заряду накопиченої енергії в окремих накопичувачах. Наприклад, комірка з меншою ємністю заряджається швидше комірки з більшою ємністю при протіканні через них однакового струму. Після досягнення 100% ємності необхідно або припинити заряд, або заряджати суперконденсатор струмом, рівним значенню струму витоку, а продовження заряду призведе до збільшення напруги на окремій клітинці вище оптимального і викличе прискорену деградацію елементу.

Зокрема, іоністори можуть безпечно працювати тільки при нормальній напрузі заряду. При перевищенні значення напруги заряду 2,8В в елементі починають відбуватися незворотні наслідки, які призводять до підвищеного нагріву елемента і швидкого виходу його з ладу. Зауважимо, що зростання температури на кожні 10 о С щодо номінальної температури знижує термін служби іоністора в 2-3 рази. З огляду на всі перераховані вище особливості, збереження і забезпечення максимального терміну служби накопичувача можливо тільки при постійному моніторингу і контролі стану її окремих осередків.

Зокрема, для вирішення проблеми з нерівномірним зарядом осередків необхідно застосовувати системи вирівнювання (Балансування), які підтримують оптимальне значення напруги і ємності окремих елементів електрохімічних джерел струму. Такі системи можуть бути як автономними, так і керованими. Найбільш важливим них є спосіб, на якому засноване вирівнювання. Складно визначити однозначно кращий спосіб балансування, оскільки кожен з них має ряд переваг і недоліків. знання принципів роботи, покладених в основу методів балансування, допоможе створити більш ефективні системи електроживлення транспортних засобів.

При розробці методів і пристроїв використовуються загальноінженерні підходи. На основі аналізу і вивчення принципів роботи систем вирівнювання розглянуті схемотехнічні рішення, засновані як на одному способі вирівнювання заряду, так і на комбінації таких способів.

Система балансування заряду накопичувачів за допомогою резистора.

Суть даного методу полягає в шунтуванні резистором акумуляторної чарунки, яка вже зарядилася до 100%, але при цьому не завершився заряд всього накопичувача. Резистори R1-R3 при відповідних ключах обмежують струм через чарунку і тим самим перешкоджають перезаряду іоністора. Головним достоїнством даного методу є простота. В даному випадку балансування доцільно проводити тільки в режимах заряду, оскільки підключення додаткового опору до чарунки АБ під час розряду призведе до

неефективного використання енергії акумулятора.

Виділяється 3 критерія визначення струму, що протікає через шунтувальний резистор: величина дисбалансу чарунки, ємність елемента і час, протягом якого необхідно провести балансировку. Для накопичувачів, які часто проходять цикли заряду-розряду, оптимальною є балансування чарунок від 10 до 20% від потужності за 1 зарядно-розрядний період. Різновидом способу, представленого на малюнку 2, є варіант шунтування чарунки, що досягла максимального заряду, резистором ні з фіксованим, а із змінним опором. Цього можна домогтися, помінявши в схемі резистори R1-R3 на MOSFET-транзистори і контролюючи їх опір за допомогою керуючого сигналу.

2. Різновид способу пасивної балансування накопичувачів

Суть активного балансування полягає в забезпеченні необхідної напруги у чарунках іоністора за рахунок перерозподілу енергії від чарунок з високим рівнем заряду до чарунок з більш низьким рівнем.

Топологія балансування з одним перемикаються конденсаторах

Для здійснення вирівнювання заряду між чарунками ланцюжок RC послідовно підключається до всіх чарунок. Максимальна напруга на обкладинках конденсатора відповідає напрузі найбільш зарядженої чарунки, і при наступному підключенні ланцюжка RC до іншого накопичувача буде передаватися додатковий заряд від конденсатора. Резистор R використовується для обмеження струму через конденсатор. Недоліком даного методу є тривалий час вирівнювання напруги між чарунками. Можливо також побудувати систему управління і перемикати ланцюжок RC тільки між чарунками з найбільшим і найменшим напруженням, і таким чином в деяких випадках зменшити час вирівнювання, але це потребуватиме додаткового використання вимірювальних ланцюгів для кожної чарунки.

Топологія вирівнювання, показана на малюнку 3, вимагає (n - 1) конденсаторів і n перемикачів для балансування n осередків. Даний метод простий в управлінні, оскільки ключі SA мають тільки 3 положення: коли всі перемикачі наведені у верхнє положення; коли всі перемикачі не підключені до жодного ланцюга; коли всі перемикачі переведені в нижнє положення накопичувача.

Мал. 3. Система активного балансування накопичувачів енергії.

Ще одним способом вирівнювання напруги в чарунках суперконденсаторів є використання індуктивності. Вже згадана система балансування при відмінності напруг сусідніх чарунок накопичувача робить перерозподіл енергії між ними. При подачі ШІМ-сигналу на транзистор VT1 відбувається накопичення енергії в індуктивності L1 і розряд чарунки S1, після чого енергія від L1 віддається в S2 за рахунок подачі ШІМ-сигналу на VT2. За допомогою VT3, VT4 і L2 балансування проводиться між S2 і S3.

Недоліком методу є те, що передача енергії з першого осередку до останньої займає тривалий час, а крім цього, необхідно вживати додаткових заходів щодо обмеження струму через індуктивності, використовуючи при цьому додаткові обв'язують ланцюга і складну систему управління.

Висновок

Застосування будь-якої системи балансування накопичувачів для виробництва дозволить істотно подовжити термін служби суперконденсаторів. Однак пасивне балансування є менш вигідним через неефективне використання енергії при розряді накопичувача і втрати великої кількості енергії у вигляді тепла при її заряді.

Балансування батареї індуктивністю, в свою чергу, складне в реалізації і вимагає істотних витрат на використання індуктивної та інших магнітних компонентів високого номіналу і складної системи управління, що призводить до збільшення питомої вартості. Найбільш оптимальним, з точки зору збереження енергії та оптимальної вартості, є методи, засновані на перерозподіл енергії між чарунками за допомогою конденсаторів. Для поліпшення коефіцієнта корисної дії в конденсаторних системах балансування необхідно виключити обмежуючи резистори і вирішити проблему виникнення імпульсних струмів.