Суперкондензатори

 

 

 

Наименованията суперкондензатор (Supercapacitor) и ултракондензатор (Ultracapacitor) се отнасят за един и същ вид кондензатори, добил особена популярност в последните години. Първото е по-популярно у нас, докато в англоговорящите страни по-често се използва второто. Тези кондензатори имат необичайно голям капацитет в сравнение с известните досега видове и съответно възможност за съхраняване на значително по-голямо количество електрическа енергия в даден обем. Засега няма, а вероятно няма и да има, точно определена стойност на капацитета, над която може да се използва наименованието суперкондензатор. Според фирмени материали, това са кондензатори с капацитет над няколко десетки mF.

В статията са дадени съвременните принципи на реализация на суперкондензаторите, техните характерни параметри и е направено обобщение на предлаганите на пазара кондензатори. Отделено е внимание на кондензаторните модули. Статията завършва с характерни настоящи и очаквани в близко бъдеще приложения.

 

Основни зависимости

Капацитетът на един кондензатор

(1) C=

e0erS/d,

където

e0=4p.10-7 [F/m] е физическа константа, представляваща диелектричната проницаемост на вакуума, може да бъде увеличаван чрез по-голяма площ S между двата електрода, чрез намаляване на разстоянието d между тях и използване на диелектрик с голяма диелектрична проницаемост er. Намаляването на d означава по-лесно настъпване на пробив в диелектрика. Това е причина увеличаването на капацитета да е свързано с намаляване на работното напрежение, което е в сила и за суперкондензаторите.

Количеството електрическа енергия

(2а) E=0,5U

2C

в кондензаторите се измерва в джаули (J) или ватчасове (Wh), като 1Wh=3600J. По-рядко вместо джаул се използва еквивалентната му ватсекунда (1J=1Ws). При зареждане от напрежение U

a до напрежение Ub в кондензатора се въвежда енергия

(2б) E=0,5(U

b2-Ua2)C.

Същият израз се използва и за изчисляване на изтеглената енергия при разреждане от напрежение U

b до Ua.

В кондензатор, зареден до напрежение U, има количество електричество

(3а) Q=CU,

измервано в кулони (C) при капацитет във фаради (F) и напрежение във V. Други използвани мерни единици за Q са (1Ah = 3600C) и mAh (1mAh = 3,6C).

Зависимостта

(3б) Q=It

означава, че когато кондензаторът осигурява ток I за време t, от него се изтегля количество електричество Q. Аналогично, при зареждане с I за време t се натрупва Q. Основните мерни единици в (3б) са кулон, ампер и секунда.

История

Първата стъпка в създаването на суперкондензаторите е направена през 1960 г. в изследователски център на компанията Standard Oil, когато бива забелязано, че две плочки с активен въглен, потопени в течен електролит, имат поведение на кондензатор. Технологията за производство на неговата двуслойна структура бива патентована и продадена на японската фирма NEC. Около 1980 г. Matsushita патентова усъвършенстван метод за производство на суперкондензатори, в резултат на което на пазара се появяват първите модели "тип копче" с външен вид и размери, много подобни на съществуващите тогава галванични батерии.

Видове суперкондензатори според структурата

Засега съществуват три вида, като вече споменатите двуслойни суперкондензатори (Double Layer Capacitor - DLC, Electric Double Layer Capacitor - EDLC) са най-масово произвежданите. Структурата на плосък суперкондензатор от този вид е дадена на фиг. 1а. Двата електрода са от активен въглен, нанесен върху алуминиево фолио. Този въглен е леко порьозно вещество с огромна площ (на 1 g въглен тя е между 500 и 2000 m

2). Между електродите е поставена полупропусклива мембрана, наричана сепаратор, напоена с воден разтвор на електролит. Последният може да е сярна киселина, но по-често е смес от калиева основа и органичен разтворител. Йоните в електролита на незаредения суперкондензатор са хаотично разпръснати. При зареждане те се натрупват по стените на двата електрода (фиг. 1б) и срещу всеки от тях има йон с противоположен заряд във въглена. Образуваните два слоя електрически заряди определят наименованието на тези суперкондензатори. Между йоните във всяка двойка има разстояние около 1 nm, което реално е d на капацитета. Натрупаното по този начин количество електричество Q и полученото напрежение U между двата електрода определят капацитета на суперкондензатора. В двата слоя има едно и също количество електричество, поради което капацитетът не зависи от приложеното напрежение.

От структурата и действието на EDLC може да се предположи, че те не са поляризирани, както електролитните кондензатори. Това действително е така при първото им включване за зареждане след произвеждането им. Но външното напрежение предизвиква някои промени в структурата на суперкондензатора и след няколко зареждания той реално се превръща в поляризиран. Затова, подобно на електролитните кондензатори, полярността на единия от изводите е означена върху корпуса и трябва да се спазва. Прилагането на напрежение в обратна посока за продължително време скъсява експлоатационния срок на суперкондензаторите и може да доведе до изтичане на електролит.

Със същата структура са псевдокондензаторите (Pseudocapacitor), но при тях по-голямата част от йоните се намират във въглена. Резултатът от това е зависимост на капацитета от напрежението, което определя наименованието (по определение капацитетът на кондензаторите не зависи от напрежението им).

Вторият вид са суперкондензаторите с аерогел (Aerogel Capacitor), който представлява въглеродна пяна. Структурата и действието на тези кондензатори е подобно на EDLC, като основната разлика е значително по-еднородната структура на въглена. Това определя по-плътно подреждане на неговите частици и съответно по-малко вътрешно съпротивление ESR (5-10 пъти). Например, такива суперкондензатори са в F Serie на Cooper Bussmann. Вече съществуват ламинирани суперкондензатори от този вид с дебелина под 1 mm.

В изследователски етап е третият вид суперкондензатори с въглеродни нанотръбички (Carbon Nanotubes Capacitor). Тръбичките са с диаметър няколко nm и дължина няколко mm. Връзката между молекулите на въглерода тук е по-силна, отколкото при диаманта, което обуславя голямата здравина на тръбичките. Основните предимства спрямо другите два вида суперкондензатори са значително по-голямата площ на единица тегло и равномерната структура на въглена. Очаква се този вид да съчетае възможността за осигуряване на мощни токови импулси, характерна за суперкондензаторите, с голямото количество енергия на акумулаторите.

Параметри

Капацитетът (Capacitance) вече достигна до 5000 F, като все по-често стойности над 1000 F се отбелязват като kF. Производственият толеранс на капацитета е твърде различен. В значителна част от суперкондензаторите той е -20/+80% (както при електролитните кондензатори), но не са рядкост толеранси -20/+20% и -10/+10%. Някои фирми предлагат точни суперкондензатори (толеранс между ±0,1 и ±1%) с капацитет до около 1 F. Капацитетът трайно намалява, когато суперкондензаторите работят при повишени температури (но в границите на работния им обхват) и в близост до работното им напрежение. Когато върху суперкондензаторите се приложи променливо напрежение с честота над няколко десетки Hz, капацитетът им значително намалява. Например при 1 kHz това намаление е около 10 пъти.

Класическите методи за измерване на капацитети дават твърде неточни резултати при суперкондензаторите, поради което се предпочита това да се прави косвено чрез измерване на времето на зареждане. За целта напълно разреденият суперкондензатор се свързва към генератор на ток (фиг. 2а) и се измерва времето

Dt за промяна на напрежението му с DU (фиг. 2б), например между 1 и 2 V. Търсеният капацитет е C=(DU)I/Dt.

Работното напрежение

(Working Voltage, Rated Voltage) VW е между 2,3 и 3,6 V. Надхвърлянето му за кратко време не поврежда суперкондензатора, но скъсява неговия експлоатационен срок. Освен това продължителното прилагане на напрежение над VW може да доведе до отделяне на газове във вътрешността на суперкондензатора и изтичане на електролит.

Допустимото импулсно напрежение

(Surge Voltage) VS обикновено е с 10-20% по-голямо от VW.

Вътрешното съпротивление

(Internal Resistance, Equivalent Series Resistance) ESR съответства точно на съпротивлението на загубите на обикновените кондензатори. Тук е прието наименованието вътрешно съпротивление поради приложението на суперкондензаторите главно за временна или продължителна замяна на галванични и акумулаторни батерии. Като вътрешно съпротивление в каталозите най-често се дава импедансът на суперкондензатора при честота 1 kHz, който може да се измери с RLC мост. Стойностите му са в твърде широки граници - от части от mW до няколко стотици W. В немалко каталози се дава и постояннотоковото вътрешно съпротивление (означавано с ESRDC или R), което е до 2 пъти по-голямо от ESR. Продължителната работа при повишени температури увеличава невъзвратимо ESR поради частично разграждане на електролита. Работата при температури под 20 °С също увеличава ESR поради нарастване на вискозитета на електролита, но стойността се възстановява при връщане на тази температура.

Измерването на ESR

DC се прави по косвен път чрез схемата на фиг. 2а. В момента t0 (фиг. 2б) на затваряне на ключа S кондензаторът не е зареден и токът I протича през ESRDC, като създава напрежение dU=I.ESRDC. От екрана на осцилоскопа се измерва dU и се изчислява ESRDC.

Токът на утечка

(Leakage Current) IL определя нежеланото саморазреждане на суперкондензатора и големината му обикновено е от няколко mA до няколко десетки mA. По принцип суперкондензаторите с аерогел имат значително по-малък IL от EDLC. Вместо този ток може да бъде зададено съпротивлението на утечка Rp = VW/IL. Паразитната индуктивност на суперкондензаторите L е твърде малка и рядко се дава в каталозите. Реално тя има значение, само когато суперкондензаторът трябва да осигурява много къси импулси.

При анализ на работата на схеми със суперкондензатори може да се използва еквивалентната им схема на фиг. 3 или нейни опростени разновидности, например с дадена накъсо L.

Максималният ток на разреждане

(Maximum Discharge Current) ISC обикновено се дава само за суперкондензаторите, предназначени за осигуряване на мощни токови импулси. Типичните стойности са от няколко А до 1000 А.

Произведението U

WISC представлява мощността, която кондензаторът може да осигури върху товара си. Нейната стойност при тегло на суперкондензатора 1 kg представлява параметърът плътност на мощността (Power Density) Pd с измерение W/kg. Тя има типични стойности няколко десетки kW/kg и е значително по-голяма от тази на оловните акумулатори. Например кондензатор с Pd=10 kW/kg, тегло 100 g и
VW = 2,5 V има ISC=0,1kg.(10kW/kg)/2,5V=400 A.

Подобен е параметърът теглова специфична плътност на енергията (Gravimetric Specific Energy Density), обикновено наричан само плътност на енергията (Energy Density) Еd и измерван в Wh/kg. Той представлява количеството на енергията в зареден до напрежение V

W суперкондензатор с тегло 1 kg. Типичните стойности са от няколко десети Wh/kg до десетина Wh/kg. Подобна е обемната специфична плътност на енергията (Volumetric Specific Energy Density), но тя е количеството енергия в обем 1 литър, има измерение Wh/L и типични стойности няколко Wh/L. Вместо нея някои производители използват параметъра обемна ефективност (Volumetric Efficiency), който е капацитетът в единица обем. Мерните единици са F/cm3 и F/in3. Плътността на енергията на суперкондензаторите с аерогел е по-голяма от тази на EDLC.

Експлоатационният срок е от момента на произвеждане на суперкондензатора до намаляване на неговия капацитет с 30%. Типичните стойности са около 10 години. Този срок е валиден, когато суперкондензаторът работи при температури до 25°С. Всяко увеличаване на работната температура с 10°С скъсява около 2 пъти експлоатационния срок. Скъсяването е по-слабо при напрежения на суперкондензатора под V

W.

Броят на циклите заряд-разряд

(Cycle Time) също се определя до намаляване на капацитета с 30%. Типичните стойности са от няколко стотици хиляди до 106.

И накрая - цената. В момента тя е между 1 и 3 цента на фарад, но се очаква скоро да намалее под 1 цент.

Суперкондензатори в серийно производство

Основните им параметри са обобщени в табл. 1. По-голяма част от суперкондензаторите са за монтаж върху платки с отвори, а най-големите обикновено се закрепват с винтове и гайки. Съществуват и серии за повърхнинен монтаж (SMD), както и прецизни суперкондензатори.

Кондензаторни модули

Използват се за увеличаване на работното напрежение чрез последователно свързване на суперкондензатори. Когато последните са n на брой с капацитет С и работно напрежение V

W, последователното им съединение е с капацитет C/n и напрежение nVW. Възможно е полученият капацитет да не е достатъчно голям, което налага успоредно свързване на m на брой последователни съединения. Така се получава капацитет mC/n при запазване на напрежението nVW. Всякакви съединения на суперкондензатори се наричат кондензаторни модули, при което всеки техен кондензатор се нарича клетка (по аналогия с акумулаторите).

Неизбежните различия в капацитетите на клетките обуславят неравномерно разпределение на напрежението - върху тези с по-голям капацитет има пропорционално по-голямо напрежение. Това прави задължително в кондензаторните модули да се използват балансиращи схеми за изравняване на напреженията. Пасивното балансиране (Passive Voltage Balancing) представлява успоредно свързване на резистор към всяка клетка. Резисторите са с еднакви съпротивления около 50Rp (обикновено между няколко k

W и няколко десетки kW) и протичащият през тях ток неизбежно разрежда клетките. Активното балансиране (Active Voltage Balancing) използва електронна схема и има по-голямо приложение, особено за модули, свързвани успоредно на акумулатори, и при често зареждане и разреждане. Най-добрата разновидност използва микроконтролер или микропроцесор, който непрекъснато измерва напреженията върху клетките и задейства балансирането само при наличие на различия между тях.

В табл. 2 са дадени примери за кондензаторни модули.

Видове според приложенията

Съществуват два основни вида суперкондензатори, но границата между тях не е ярко очертана. Всеки от видовете може да бъде използван в приложенията на другия, но това не е особено ефективно и може да доведе до влошаване на параметрите на съответното устройство.

Първият вид са суперкондензаторите, предназначени да осигуряват голям ток за кратко време, т.е. мощни токови импулси. Условно те се наричат суперкондензатори за мощност (Power Supercapacitor, Power Ultracapacitor). Максималният им ток на разреждане може да е по-голям от този на галваничните батерии и акумулаторите, но количеството на натрупаната енергия е по-малко. За осигуряване на достатъчен ток тези суперкондензатори трябва да имат малко вътрешно съпротивление. Обикновено се свързват успоредно на галваничните и акумулаторните батерии.

Кондензаторните модули практически винаги се използват само за мощни токови импулси.

Вторият вид са суперкондензаторите за енергия (Energy-Type Supercapacitor, Energy-Type Ultracapacitor), чието предназначение е да осигурят сравнително малък ток за продължително време с цел поддържане на работата на блокове или цели устройства вместо галванични батерии или акумулатори. Те са с капацитет до няколко F и имат по-голямо вътрешно съпротивление (рядко под 1

W) от първия вид. Особено честа е употребата им за захранване на памети.

Някои фирми имат два раздела в каталозите си - суперкондензаторите за мощност са в Power Datasheet, а тези за енергия - в Energy Datasheet.

Зареждане

То може да се извършва по един и същи начин за суперкондензатори и за кондензаторни модули. Може да се използва какъвто и да е постояннотоков източник (с неизменно напрежение, с неизменен ток, DC/DC преобразувател) при две ограничения - напрежението му да не е по-голямо от работното напрежение на зареждания прибор и зарядният ток да не надхвърля 0,2V/ESR (V е работното напрежение). Времето на зареждане е между няколко десети от s и няколко десетки s и практически никога не надхвърля 2 min.

Разреждане

Може да се извършва с неизменен ток или през товар със съпротивителен характер. Токът I

SC не трябва да се надхвърля, а минималното време на разреждане е от същия порядък, както времето на зареждане.

Напрежението намалява по законите, известни от класическите кондензатори. За най-често срещания случай на разреждане с неизменен ток I напрежението е

(4) u

C = U0 - ESR .I - It/C,

където U

0 е напрежението преди започване на разряда и t е времето на разреждане. Графиката на uC е дадена на фиг. 4. При суперкондензаторите за мощност преобладава второто събираемо в израза (4), чието влияние се ограничава чрез малко ESR. Третото събираемо е от основно значение при суперкондензаторите за енергия, като за бавно намаляване на напрежението им трябва голям капацитет.

Предимствата

на суперкондензаторите спрямо галваничните батерии и акумулаторите са следните:

l

Могат да осигуряват до 10 пъти по-голям ток и мощност в импулса.

l

Броят на циклите заряд-разряд е три порядъка по-голям от този на акумулаторите.

l

Нямат нужда от поддържане.

l

Много по-бързо зареждане в сравнение с акумулаторите.

l

Възможност за разреждане на 0 V и съответно отдаване на цялата натрупана електрическа енергия.

l

Електрическият заряд практически не намалява при ниски температури.

l

Напълно безопасни за околната среда поради липсата на отровни вещества (за разлика от NiCd и оловните акумулатори).

 

Основните недостатъци

са, както следва:

l

Около 10 пъти по-малка плътност на енергията, което означава по-голям обем и тегло за съхраняване на дадено количество енергия.

l

По-съществено намаляване на напрежението в процеса на разреждане (фиг. 5).

Характерни
приложения

Изследователската работа за подобряване на параметрите на суперкондензаторите и за създаване на нови видове е много интензивна. Поради това част от дадените тук приложения са потенциални - очаква се те да намерят своето реално приложение през следващите години.

Суперкондензаторите имат до 100 пъти по-голям капацитет в единици обем от класическите, което по принцип е сериозна предпоставка за намаляване на размерите на апаратурите. Не трябва, обаче, да се забравя намаляването на капацитета с честотата, което реално не позволява използването в променливотокови вериги.

Многобройни са електронните устройства, захранвани от галванични и акумулаторни батерии, чийто режим на работа налага консумирането за кратко време на значително по-голям ток от средния. Този ток обуславя пад на напрежение върху вътрешното съпротивление на батерията и захранващото напрежение на устройството намалява. Особено характерни примери са цифровите фотоапарати при задействане на светкавицата и включване на телеобектива и подвижните телефони. Например GSM апаратите предават в продължение на около 0,6 ms, през което време от батерията им се консумира ток около 2 А. Следващите 4 ms са за приемане при много по-малка консумация. Подобно е положението при GPRS устройствата. Микропроцесорът или микроконтролерът в каквото и да е устройство консумира голям ток по време на изпълнение на сложна операция и захранващото го напрежение също намалява.

В тези и всички други подобни случаи намаляването на напрежението ще е значително по-малко, когато успоредно на батерията се свърже суперкондензатор
(фиг. 6). Импулсният ток на товара се осигурява почти изцяло от суперкондензатора, който се дозарежда от батерията след прекратяването му. Изследвания са показали, че освен значително по-стабилното напрежение се удължава експлоатационният срок на батерията от 60% (според NEC) до 300% (според Cooper Bussmann). Това позволява по-рядка смяна на батериите, особено важно за автоматично работещи апаратури на отдалечени или трудно достъпни места, например метеорологични уреди и такива за наблюдаване на нивото на реките. Същото свързване може да се използва и в много комуникационни устройства, такива на битовата електроника, в медицински апаратури и измервателни уреди.

Подобен, но още по-тежък е случаят на запалване на двигател с вътрешно горене, когато за няколко секунди от акумулатора се консумира ток стотици А. Намаляването на проблема също е свързано с прибавянето на суперкондензатор към акумулатора. Допълнително предимство от това е рязкото намаляване на неуспешните опити за запалване в студено време, дължащи се на невъзможността самият акумулатор да осигури достатъчно голям ток. Например модулът FB1E505Z на Epcos се използва по този начин в спортния автомобил Lotec Sirius и значително увеличава въртящия момент на стартера.

Същият проблем е решила фирмата Siemens чрез замяната на оловния акумулатор за пускане на двигателя в своите дизелови локомотиви Class 2026 с кондензаторен модул 440F/28V от Epcos. Теглото на кондензаторния модул е 45 kg, а на заменения акумулатор - 560 kg. Тази разлика е позволила увеличаване с 20% на резервоара за гориво.

Също дизелови двигатели се използват за резервно захранване на болници, банки, летища и други важни обществени сгради. Независимо от вида и предназначението на дизеловия двигател, суперкондензаторите гарантират сигурно задействане поне 100 000 пъти.

Още от самото създаване на електротранспорта двигателите се използват и за спирачки, при което работят като генератори и връщат така получената електроенергия в мрежата. Тя обаче не може да се съхрани и ако не се консумира веднага от други движещи се возила, трябва да се разсее под формата на топлина в подходящо устройство на захранващата електростанция. Вече са разработени проекти за поставяне в станцията на кондензаторен модул, който да се зарежда от неизползваната енергия.

Използването на енергията при спиране на коли с двигатели с вътрешно горене по принцип не бе възможно досега - тази енергия (около 30% от цялата при градско каране), просто нагрява спирачките. Затова в разработваните от почти всички големи автомобилостроители хибридни електромобили, енергията от спирането се използва за зареждане на кондензаторен модул, свързан успоредно на акумулатора. Интересът към това е толкова голям, че някои фирми (например Honda) сами са разработили модул. Поради голямата енергия при спирането засега този метод може да се използва само при рязко спиране. Ако бъдещето развитие на суперкондензаторите позволи увеличаване поне с 1 порядък на специфичната плътност на енергията им, ще стане възможно зареждане и при спускане на автомобила по нанадолнище за сметка на намаляващата му потенциална енергия.

Необходимостта от осигуряване на голям ток за кратко време засяга и много други области. Една от тях са непрекъсваемите захранвания (UPS) за персонални компютри и сървъри, чийто акумулатор може да бъде заменен с кондензаторен модул. По аналогичен начин може да се осигурява работата на базовите станции от GSM-мрежата при прекъсване на електрозахранването. Така ще отпадне необходимостта от редовно поддържане и смяна на използваните досега оловни акумулатори. Европейският мобилен оператор Vоdafone от 2003 г. използва за тази цел кондензаторни модули на фирмата Epcos.

В автомобилите все по-често се използват мощни звуковъзпроизвеждащи системи, които в определени моменти консумират толкова голям ток, че захранващото им напрежение намалява значително и нелинейните изкривявания рязко се увеличават. С прибавянето на подходящ суперкондензатор между захранващите клеми на системата това се избягва.

Твърде перспективни са приложенията в сравнително маломощни електросистеми, захранвани със слънчева енергия - резервно и градинско осветление, табели и пътни знаци. Енергията, натрупана през деня в кондензаторния им модул, осигурява работата през нощта.

Друга област на приложение са преносими уреди, използвани за кратко време, например ръчни скенери (за четене на баркодове на стоки), електрически самобръсначки, електрически отвертки, електрически четки за зъби, всякакви измервателни уреди, безжични телефонни слушалки и др. Зареждането на техния суперкондензатор става много по-бързо от това на акумулатор, а натрупаният заряд е достатъчен да осигури работата им до десетина минути. След разреждането на суперкондензатора, приборът се поставя в зарядното устройство и след малко отново е готов за употреба.

В много устройства се използват енергонезависими памети (NVRAM), в които автоматично за кратко време се записва съдържанието на оперативната памет при изключване на захранването. Напрежението на NVRAM е значително по-удобно да се осигури от суперкондензатор, отколкото от батерия.

Когато захранването на индустриална или комуникационна система бъде прекъснато, много добре е автоматично да се подаде сигнал за това към други устройства в мрежата. Времето на работа на съответния блок може да бъде осигурено от суперкондензатор.

Характерна особеност на индустриалните приложения и тези в стационарните комуникационни системи е преобладаващото използване на кондензаторни модули с основна причина работните напрежения (обикновено над 10 V).

Суперкондензатори с дебелина под 1 mm (например разновидности на F Serie на Cooper Bussmann) могат да се използват в различни видове PCMCIA карти.

Стефан Куцаров