Superkondenzátory sa čoraz viac využívané v širokej škále aplikácií. S technologickým pokrokom sa stali nepostrádateľnými v systémoch zberu, spracovania a ukladania energie.
Stojí za to preskúmať aplikácie a ponuky najmodernejších superkondenzátorov, najmä tých vyrábaných renomovanými dodávateľmi.
Eaton Electronics patrí medzi popredných dodávateľov superkondenzátorov. Ich produktová rada zahŕňa desiatky sérií, vytvorených v rôznych formátoch (od miniatúrnych po moduly určené pre komerčné vozidlá). Spoločnosť ponúka komponenty vyrobené pomocou "klasických" technológií aj inovatívne, patentované riešenia vyvinuté v ich laboratóriách. Tento portfólio otvára množstvo možností pre dizajnérov a výrobcov elektrických/elektronických zariadení. Nižšie poskytujeme prehľad superkondenzátorov od Eaton dostupných v našom katalógu, spolu s potenciálnymi aplikáciami a odporúčanými dizajnovými riešeniami navrhnutými dodávateľom.
Séria superkondenzátorov a vlastnosti od Eaton
Kľúčovou silou ponuky superkondenzátorov Eaton je ich rozmanitosť. To je zrejmé v niekoľkých aspektoch: portfólio zahŕňa komponenty s rôznymi kapacitami, veľkosťami a následne aj účelmi. Navyše, Eaton zabezpečil diverzifikované charakteristiky naprieč svojimi produktmi, vrátane nízkych typov ESR, komponentov hodnotených pre zvýšené napätia, širokú tepelnú toleranciu (-40...+85) a ďalšie.
Rozdelenie na základe štrukturálnych charakteristík
Zloženie elektrolytu používaného v superkondenzátoroch významne ovplyvňuje ich výkon. Ponuky Eaton môžu byť rozdelené do niekoľkých skupín na základe týchto kritérií, vrátane troch opísaných nižšie a hybridných riešení, ktoré sú pokryté v samostatnej sekcii.
Propylénkarbonát
Používaný v sériách ako B, HB, KR a KW, propylénkarbonát je nehorľavá, ekologická zlúčenina s vynikajúcimi tepelnými vlastnosťami, ktoré umožňujú prevádzku od -25°C do 70°C. Tieto kondenzátory nepodliehajú prepravným obmedzeniam. Na druhej strane majú relatívne nízke maximálne nabíjacie napätie 2,5V.
Acetonitril
Acetonitril umožňuje výrazne vyššiu kapacitu (až o 80% viac), napätia až do 2,7V a nižší ekvivalentný sériový odpor (ESR). Komponenty používajúce tento elektrolyt môžu tolerovať nižšie teploty (až do -40°C). Avšak, pri vystavení ohňu emitujú toxické výpary, čo vedie k niektorým obmedzeniam používania. Acetonitril sa používa v sériách ako HV, XV, XL60 2.7V, XVM a XLM.
Vlastné formulácie Eaton
Superkondenzátory zo sérií TV, XT a XL60 3.0V obsahujú patentované elektrolyty, ktoré poskytujú optimálny výkon. Tieto komponenty sú mierne drahšie, ale poskytujú vysokú kapacitu, nízky únikový prúd, nízky ESR, napätia až do 3V a najvyššiu dostupnú hustotu výkonu.
Prehľad sérií Eaton
Na lepšie pochopenie rozmanitých ponúk superkondenzátorov Eaton je užitočné preskúmať segmentáciu ich komponentov podľa sérií. Každá skupina nielenže má jedinečné konštrukčné vlastnosti, ale je tiež optimalizovaná pre konkrétne aplikácie.
Štandardné valcové superkondenzátory
V mnohých obvodoch, ako sú meniče a systémy stabilizácie napätia, sa superkondenzátory primárne používajú pre svoju vysokú kapacitu a nízky ESR. Pre tieto aplikácie sú potrebné komponenty v štandardných valcových formátoch s technológiou THT (Through-Hole Technology). Séria B, HB a HV predstavujú najtypickejšie produkty Eaton v tejto kategórii.
Komponenty zo série B sú vhodné pre obvody v neprerušiteľných napájacích zdrojoch (UPS), spínaných napájacích zdrojoch a sieťových systémoch. Pre série HB a HV zákazníci dostávajú komponenty s vyššími kapacitnými hodnotami (až do 110F), ktoré sú ideálne pre náročnejšie aplikácie, ako sú systémy obnoviteľnej energie (solárne), vysielače výkonu a—vďaka nízkemu únikovému prúdu a teplotnému rozsahu tolerancie -25°C až 85°C—plynomery a vodomery, ako aj iné meracie zariadenia alebo senzory vybavené bezdrôtovými komunikačnými modulmi.
Hybridná technológia
Vlastná hybridná technológia superkondenzátorov Eaton využíva dva typy elektród: jednu postavenú ako štandardné kondenzátory a druhú pripomínajúcu batériovú technológiu. To vedie k výnimočným charakteristikám produktu, vrátane životnosti až 20 rokov za optimálnych podmienok.
Zásadnou vlastnosťou hybridných kondenzátorov je ich bezúdržbová prevádzka. Keď sú kombinované s tradičnými batériami, slúžia ako vynikajúci zdroj energie pre vzdialené zariadenia (senzory, merače) vďaka ich nízkemu únikovému prúdu. Ich nízke ESR vlastnosti ich robia vhodnými pre obvody vyžadujúce značnú energiu, ako sú záložné napájacie zdroje pre priemyselné zariadenia a lekárske prístroje alebo poplašné systémy.
Nízko-profilové a miniatúrne verzie
Superkondenzátory sú ideálnym dodatočným zdrojom energie pre aplikácie vyžadujúce relatívne vysoký prúd počas krátkych období alebo prerušovane. Táto vlastnosť sa využíva napríklad v zariadeniach Internetu vecí (IoT), kde je komponent nabíjaný malým prúdom zo solárnych článkov, generátorov alebo batérií a potom použitý na napájanie RF modulu, vysielača signálu, aktuátora alebo iných komponentov s vysokou energetickou náročnosťou.
Eaton ponúka nízko-profilové kondenzátory a formáty mincí pre IoT a záložné obvody RTC (ako aj miniatúrne komponenty opísané nižšie). Pracujú pri 5V alebo 5.5V DC, s kapacitami od 0.1F do 1.5F. Vývody sú navrhnuté pre THT montáž na rozstup 5mm alebo 10mm.
Kompaktné superkondenzátory sú tiež dostupné v obdĺžnikových formátoch, s kapacitou až do 5F. Zvlášť pozoruhodné sú modely zo série PHVL, ktoré majú najnižší únikový prúd (len 1µA) a tepelnú toleranciu v rozsahu -40°C až 85°C. Tieto pôsobivé parametre ich robia ideálnymi pre aplikácie ako napájanie RTC hodín a volatilnej pamäte, ako aj zálohovanie/stabilizáciu prúdu počas prechodov napájacích zdrojov v nabíjateľných zariadeniach.
Zvýšená kapacita a prevádzkové napätie
Kondenzátory série XL60, XV a XB sa vyznačujú vysokou kapacitou. Tieto komponenty sú navrhnuté pre výkonové aplikácie a vysokoprúdové obvody, ako sú regeneratívne brzdové moduly v cestných vozidlách (EV, hybridy), štartéry a obvody priemyselných strojov, medzi inými.
Najväčšia dostupná kapacita (3kF pri 2.7V DC) sa nachádza v sérii XL60. Tieto sú valcové superkondenzátory s skrutkovými svorkami, ktoré zabezpečujú minimálny odpor pripojenia a tým schopné dodávať prúdy veľmi vysokej intenzity. Tiež sa vyznačujú vysokou účinnosťou (nad 98%). Výrobca ich odporúča pre najnáročnejšie aplikácie, vrátane ťažkých strojov (žeriavy, stavebné a ťažobné zariadenia), ako aj nákladných vozidiel. Ich vysoká kapacita ich robí vhodnými na potlačenie výkyvov napájania v napájacích obvodoch.
V kondenzátoroch série TV použil Eaton materiály navrhnuté na dosiahnutie najvyššej hustoty výkonu a kapacity (až do 100F) pri eliminácii environmentálne škodlivých látok. Navyše, komponenty TVA sú v súlade s AEC-Q200, čo znamená, že sú vhodné na použitie v automobilovom priemysle. Sú obzvlášť užitočné ako nezávislé alebo spárované s tradičnými batériami ako zdroje energie pre centrálne zamykacie systémy a rekordéry. Ich použitie sa tiež očakáva v stabilizátoroch pre boardnet obvody, ktoré napájajú komponenty vozidla (vrátane najnovších vozidiel so systémom 48V DC).
Pakiety XLR
Superkondenzátory XL60 opísané vyššie sú ponúkané vo fabrikou pripravených balíkoch značky XLR. Jeden modul môže byť navrhnutý pre napätia 16.2V, 48.6V alebo 51.3V DC (v závislosti od modelu) a má kapacitný rozsah 160F až 500F. Každý balík je uzavretý v kompaktnom kryte s vyvažovacím obvodom, ktorý zahŕňa prepäťovú a tepelnú ochranu pre komponenty. Tieto produkty sú určené pre odvetvia ako nákladná a verejná doprava (cestná, železničná, námorná) a ťažké stroje. Vďaka kombinovanej kapacite a výnimočným parametrom kondenzátorov XL60 môže tento typ modulu nahradiť iné typy zdrojov energie, čo vedie k nižším prevádzkovým nákladom, zníženiu hluku a väčšej stabilite napájacích systémov.
Špecifické vlastnosti a dizajnové úvahy
Aplikácia superkondenzátorov v obvodoch vyžaduje podobné úvahy ako pre kondenzátory s menšími kapacitami – ale tieto komponenty sa tiež používajú na ukladanie väčších energetických rezerv počas dlhších období. To prináša ďalšie obmedzenia, ktoré je potrebné zvážiť pri navrhovaní obvodov a zariadení.
Základná ochrana balíka
Najprv musí obvod zabezpečiť, že kondenzátory sú chránené proti napätiu opačnej polarity, čo znamená, že by mal obsahovať usmerňovacie diódy na kontrolu toku prúdu.
Očakávaná degradácia
Vzhľadom na ich vysoký výkon a degradáciu elektrolytu v superkondenzátoroch je nevyhnutné zohľadniť zmenu nominálnych charakteristík komponentov v priebehu času kvôli starnutiu a používaniu počas fázy návrhu. Prirodzene, zmeny parametrov sa vyskytujú pomaly: pre značkové komponenty Eaton by sa to malo zohľadniť v perspektíve 10 rokov. Preto je vhodné predpokladať 20% zníženie kapacity a zvýšenie ESR 1,7-násobne oproti počiatočnej hodnote pre aplikácie ako UPS obvody alebo lekárske zariadenia. Pre ovládače priemyselných strojov a napájacie zdroje by mala byť tolerancia nastavená na -30% kapacity a dvojnásobné zvýšenie ESR, zatiaľ čo pre automobilové systémy (kde sú kondenzátory vystavené najintenzívnejšiemu používaniu) by bolo dobré predpokladať 50% zníženie kapacity a trojnásobné zvýšenie ESR.
Výber vhodného napätia
Niekoľko faktorov, ako je prevádzková teplota, ovplyvňuje degradáciu; avšak maximálne napätie, pri ktorom kondenzátory pracujú, je najviac ovplyvňujúce. Najefektívnejší spôsob, ako predĺžiť životnosť komponentov, je udržiavať napätie pod ich menovitou hodnotou (ideálne okolo 85%) a implementovať vybíjacie prvky pre kondenzátory, keď nie je potrebné ukladanie energie (napr. po vypnutí stroja).
Tepelné úvahy
Ako už bolo spomenuté, vysoká teplota tiež ovplyvňuje životnosť superkondenzátorov. Pri navrhovaní cieľového zariadenia je dôležité zvážiť tento fenomén a umiestniť komponenty optimálne z tepelného hľadiska. To znamená predovšetkým udržiavať kondenzátory mimo typických zdrojov tepla v obvode, ako sú tranzistory, zosilňovače, cievky, atď.
Pripojenie kondenzátorov a vyvažovanie balíkov
Vzhľadom na ich charakteristiky sú superkondenzátory obmedzené na relatívne nízke napätia (typicky 2.7V, maximálne do 3V). Keďže to nie je dostatočné pre väčšinu aplikácií, komponenty sú spojené do série do balíkov. Tu je potrebné venovať pozornosť dvom hlavným otázkam. Po prvé, vzhľadom na už spomínanú tepelnú citlivosť, je dôležité zabezpečiť rovnomerné rozloženie teploty medzi komponentmi. To zabraňuje predčasnej degradácii akéhokoľvek prvku, čo by mohlo spôsobiť výpadok napájania. Druhou otázkou je vyvažovanie balíka, zabezpečenie rovnomernej úrovne nabíjania/vybíjania pre kondenzátory v balíku. Bez takéhoto systému môže životnosť kondenzátorov v balíku klesnúť až na 20–50% ich počiatočnej životnosti.
Metódy vyvažovania sú rozdelené na disipatívne, ktoré zahŕňajú kontrolovanú stratu energie (vrátane pasívnych a aktívnych systémov), a nedisipatívne (nepriame a priame) metódy, ktoré používajú komplexné obvody regulácie napätia ako stabilizátory alebo meniče. Výber riešenia závisí nielen od túžby predĺžiť životnosť balíka, ale aj od faktorov ako nákladová efektívnosť a výrobné schopnosti. Nižšie sú uvedené kľúčové vlastnosti týchto metód.
- Pasívny vyvažovač udržuje životnosť kondenzátora na 70–90%, čo ho robí preferovaným riešením v systémoch s nepravidelnými cyklami nabíjania-vybíjania (aspoň denne) a stabilnými okolitými teplotami. Tieto systémy používajú rezistory alebo Zenerove diódy pripojené paralelne s jednotlivými kondenzátormi v balíku. Pri použití diód zvážte chladenie komponentov. Rezistory by mali mať najnižšiu možnú hodnotu, za predpokladu, že prúd cez ne nepresiahne 10-násobok nominálneho únikového prúdu kondenzátora.
- Aktívne systémy sa spoliehajú na operačné zosilňovače, ponúkajúce nízke náklady na implementáciu. Sú dobre prispôsobené pre balíky, kde kapacita jednotlivých článkov nepresahuje 100F. Eaton vyvinul a patentoval vlastný dizajn pre takýto vyvažovač (jeho schéma je voľne dostupná pre záujemcov), optimalizovaný na použitie s superkondenzátormi spoločnosti. Navyše, Eaton ponúka variant dizajnu pre vysokovýkonné balíky vyžadujúce komponenty presahujúce 100F.
- Nedisipatívne metódy často vyžadujú dedikované integrované obvody. Na trhu je k dispozícii mnoho takýchto produktov, špeciálne prispôsobených charakteristikám superkondenzátorov. Obsahujú obmedzovače napätia, ktoré zohľadňujú okolitú teplotu a monitorujú opotrebenie jednotlivých kondenzátorov (napr. generujú signál indikujúci zníženú kapacitu). Alternatívne môže vyvažovanie balíka používať obvody založené na regulátoroch napätia buck-boost.
Príklady aplikácií
Text často spomína typické aplikácie superkondenzátorov – zhrnuté tu s podrobnejšími príkladmi. Tieto aplikácie spadajú do dvoch kategórií: obvody vyžadujúce vysoký výkon a tie, kde superkondenzátor slúži ako kompaktný zdroj energie.
Aplikácie s vysokým výkonom primárne zahŕňajú zariadenia používané na zber a dodávku energie v krátkych intervaloch. Príklady sú štartéry motorov, neprerušiteľné napájacie zdroje (UPS), systémy regeneratívneho brzdenia v elektrických vozidlách a dočasné úložné obvody v energetických inštaláciách. Tieto využívajú schopnosť superkondenzátora rýchlo absorbovať a dodávať veľké energetické výboje. Druhý typ aplikácie je takmer opakom: obvody pracujúce s veľmi nízkymi prúdmi (napr. vzdialené senzory), ktoré niekedy zostávajú nečinné po mnoho dní, prebúdzajú sa periodicky na vykonanie špecifických úloh (napr. odosielanie údajov, aktivácia servomechanizmu, atď.). Tu superkondenzátor funguje ako podporný zdroj energie.
Aplikácie komunikácie IoT
Vzdialené zariadenia (napr. polné senzory, diaľkovo čítané vodomery/plynomery) musia obsahovať komunikačné moduly, rovnako ako obvody IoT, kde je prenos údajov primárnou funkciou. Používanie Bluetooth alebo WiFi technológie nemusí poskytovať významné výhody; avšak tieto štandardy majú obmedzenia. Prvý má krátky dosah (až niekoľko metrov), zatiaľ čo druhý vyžaduje obvody neustále napájané stovkami miliampérov, čo nie je optimálne pre mnoho aplikácií. Preto sa používajú alternatívne riešenia ako LoRa (t.j., Long Range) a NB (Narrow Band). Tieto technológie umožňujú periodický prenos údajov (napr. raz denne) na veľké vzdialenosti. V dôsledku toho zostávajú vysielacie zariadenia väčšinu času v režime spánku, prebúdzajú sa len na zber údajov (senzorové čítania, geolokácia, atď.) alebo ich odoslanie do dohľadového zariadenia.
V takýchto projektoch ponúka kombinácia batérií so superkondenzátormi jasné výhody: článok poskytuje veľmi malé dávky energie (50μA) na udržanie prevádzky obvodu (počas období dokonca niekoľkých rokov, ako vo vodomeroch). Medzitým kondenzátor výlučne napája komunikačný modul, zabezpečujúc maximálny dosah. Táto konfigurácia má niekoľko výhod: môže pracovať pri veľmi nízkych teplotách (superkondenzátory majú širšiu tepelnú toleranciu). Zníženie zaťaženia batérie (často vo forme jedného článku alebo gombíkovej batérie) predlžuje jej životnosť (nielen nabíjacie cykly). Navyše, ak sa energia agreguje pomocou, napr. malých fotovoltaických článkov, nabíjanie lítium-iónovej batérie by vyžadovalo menič regulátora nabíjania, zatiaľ čo analogický obvod pre superkondenzátory je oveľa jednoduchší a prináša menšie straty.
Predĺžená životnosť balíka EV
Výskumné zariadenia v Eaton umožnili spoločnosti vykonať rozsiahle štúdie o rozvoji dopravy založenej na elektrických vozidlách. Zamerali sa na očakávané výhody nahradenia "klasického" napájacieho systému, používajúceho výlučne lítium-iónové batérie (alebo vodíkové palivové články), hybridným riešením kombinujúcim balík článkov s balíkom superkondenzátorov. Zatiaľ čo prvý je navrhnutý pre vysokú energetickú hustotu (t.j. kapacitu), druhý vyniká vo vysokej hustote výkonu. Optimálne riešenie teda zahŕňa čerpanie energie z oboch zdrojov, v závislosti od prevádzkových parametrov motora: batérie poskytujú prúd počas stabilného pohybu alebo jemného zrýchlenia, zatiaľ čo superkondenzátory pomáhajú počas náhlych zmien rýchlosti (dodávajú alebo efektívne ukladajú energiu zo systému regeneratívneho brzdenia). Špecialisti Eaton dospeli k záveru, že predpokladaná 4-ročná životnosť batérií používaných v komerčných vozidlách (dodávky a úžitkové stroje ako vysokozdvižné vozíky) by mohla byť zdvojnásobená použitím hybridného napájacieho systému. Navyše, to by znížilo veľkosť balíka batérií, čo by viedlo k zníženiu hmotnosti vozidla a prevádzkových nákladov (alebo zvýšenej ziskovosti v prípade dopravných vozidiel).
Text a obrázky: TME
