Суперконденсаторы: принцип работы и алгоритм выбора

В данной статье кратко рассматривается принцип действия и основные характеристики суперконденсаторов, а также предлагается алгоритм выбора суперконденсаторов с учетом особенностей их разряда
901
В избранное

Все чаще в составе современных электронных устройств можно встретить суперконденсаторы. Суперконденсаторы способны выступать как в качестве основных элементов питания, так и в качестве буферных элементов для сглаживания провалов напряжения аккумуляторов при работе с импульсной нагрузкой.

Наравне с термином «суперконденсатор» в литературе часто применяют альтернативные названия, например, «ультраконденсатор» или «ионистор». Все эти именования используются для обозначения одного и того же компонента – конденсатора с двойным электронным слоем. Впервые суперконденсатор был создан в далеком 1957 году компанией General Electric. Позднее аналогичные компоненты выпускались различными производителями по всему миру, в том числе и в СССР (например, ионисторы КИ1-1).

Принцип работы суперконденсатора

Структура и принцип работы суперконденсатора поясняются на рис. 1. Суперконденсатор состоит из электродов, графитового сепаратора и электролита. При приложении внешнего напряжения носители заряда образуют два электронных слоя на границе сепаратора и электролита. Чем больше площадь поверхности сепаратора, тем больше будет накапливаемый заряд. Из рисунка видно, что в отличие от аккумуляторов в суперконденсаторе отсутствуют химические реакции, а энергия накапливается в виде статического заряда, как и в обычных конденсаторах.

Структура и принцип действия суперконденсатора

Рис. 1. Структура и принцип действия суперконденсатора

Основные характеристики суперконденсаторов

По своим характеристикам суперконденсаторы занимают промежуточное положение между аккумуляторами и обычными конденсаторами. В последнее время, благодаря большой емкости, суперконденсаторы становятся отличной альтернативой для аккумуляторов в широком спектре малопотребляющих устройств. Сравнение некоторых параметров суперконденсаторов и аккумуляторов приведено в таблице 1.

Таблица 1. Сравнение параметров суперконденсаторов и аккумуляторов

Параметр

Суперконденсатор

Литий-ионный аккумулятор

Время заряда

1–10 с

10–60 мин

Срок службы (циклов)

1 миллион циклов
или 30 000ч

500 и более

Напряжение

2,3…2,75 В (тип)

3,6 В (ном)

Удельная энергия (Вт·ч/кг)

5 (тип)

120–240

Удельная мощность (Вт/кг)

До 10 000

1 000…3 000

Стоимость кВт·ч

$10,000 (тип)

$250–$1,000

Время наработки на отказ)

10-15 лет

5-10 лет

Диапазон температур заряда

–40…65 °C

0…45 °C

Диапазон температур разряда

–40 to 65 °C

–20…60 °C

Емкость – один из важнейших параметров для любого накопителя энергии. По величине удельной емкости на единицу массы суперконденсаторы значительно превосходят обычные конденсаторы (в том числе, электролитические), но в свою очередь так же сильно уступают аккумуляторам (рис. 2). По этой же причине стоимость единицы емкости для суперконденсаторов оказывается существенно выше, чем для аккумуляторов.

Сравнение удельной емкости накопителей энергии

Рис. 2. Сравнение удельной емкости накопителей энергии

Вторым по важности параметром накопителя энергии является разрядный ток. По этому показателю лидируют обычные конденсаторы, которые из-за низкого собственного сопротивления способны выдерживать огромные импульсы тока. Аккумуляторы наоборот отличаются высоким сопротивлением и чрезвычайно чувствительны к большим разрядным токам. Например, литий-ионные аккумуляторы склонны к перегреву и разрушению при быстром разряде. Суперконденсаторы характеризуются более высоким последовательным сопротивлением, чем простые конденсаторы, однако существуют модели, способные выдерживать разрядные токи до сотен ампер.

Высокое сопротивление создает проблемы не только с точки зрения разогрева, но и с точки зрения просадки напряжения при импульсной нагрузке. Импульсное потребление характерно для большинства современных систем, но особенно ярко оно проявляется в устройствах с беспроводными радиопередатчиками. На рис. 3 представлен пример преждевременного отключения системы с аккумуляторным питанием из-за просадки напряжения. При передаче данных по беспроводному каналу потребление системы существенно возрастает, однако аккумулятор не способен выдать требуемую мощность мгновенно. Из-за этого напряжение на нагрузке проседает и может опуститься ниже порогового значения. Пороговое значение ограничивает минимально допустимое напряжение питания, ниже которого происходит отключение устройства. На рис. 3 пороговое значение составляет 1 В. В результате просадки напряжения устройство отключается, несмотря на то, что уровень заряда аккумулятора на самом деле остается высоким. Во многих случаях с данной проблемой не могут справиться даже развязывающие конденсаторы.

Провалы напряжения из-за высокого внутреннего сопротивления аккумулятора

Рис. 3. Провалы напряжения из-за высокого внутреннего сопротивления аккумулятора

Суперконденсаторы способны выдавать достаточно высокую импульсную мощность и позволяют решить проблему просадки напряжения (рисунок 4). Для этого суперконденсатор включается параллельно с аккумулятором. В данном случае ультраконденсатор не только предотвращает ложные выключения системы, но и защищает аккумулятор от пиковых токов, которые негативно влияют на срок его службы и могут в некоторых случаях банально вызвать его перегрев и разрушение. Таким образом, режим буферного элемента является одним из основных вариантов использования суперконденсаторов. Подробнее об этом вопросе рассказывается в статье «Расстояние не помеха. Эффективный радиус действия суперконденсаторов CAP-XX».

 Суперконденсатор не только предотвращает ложные выключения, но и защищает аккумулятор от пиковых токов

Рис. 4. Суперконденсатор не только предотвращает ложные выключения, но и защищает аккумулятор от пиковых токов

В последнее время наблюдается бурное развитие малопотребляющей электроники. Современные электронные системы могут потреблять всего лишь сотни мкА в активном режиме и доли мкА в режиме ожидания. Очень часто для питания таких устройств используют различные маломощные харвестеры энергии: солнечные батареи, виброхарвестеры, термогенераторы и т.д. Для накопления энергии этих преобразователей не всегда можно использовать конденсаторы. Например, устройство может накапливать энергию несколько часов, после чего выполнять быструю отправку данных по радиоканалу и снова засыпать. Высокий саморазряд конденсаторов не позволит работать в таком режиме. В то же время суперконденсатор окажется вполне приемлемым вариантом на роль накопителя энергии. Пример такого режима работы рассматривается в статье «Использование суперконденсаторов CAP-XX в устройствах с питанием от солнечных батарей».

Однако при использовании суперконденсатора в качестве основного элемента питания необходимо учитывать две важные особенности. Во-первых, суперконденсаторы обладают низким рабочим напряжением 2,3…2,75 В (хотя на рынке присутствуют модели с напряжением 3 В, например, суперконденсаторы от VINATech). Этого не всегда достаточно, а значит, может потребоваться последовательное включение нескольких элементов, что приведет к уменьшению суммарной емкости. В то же время у литий-ионных аккумуляторов номинальное напряжение составляет 3,6 В, что является оптимальным значением для большинства современных микросхем.

Во-вторых, еще одним недостатком суперконденсаторов становится линейный характер разряда. Разумеется, предсказуемая форма разряда это хорошо, но не всегда. На рис. 5 представлен пример, в котором система достигает граничного напряжения (минимально допустимое напряжение питания) в тот момент, когда суперконденсатор разряжен всего лишь на 50%. По этой причине для нормальной работы устройства может потребоваться дополнительный повышающий регулятор. В то же время аккумуляторы характеризуются относительно небольшим уменьшением напряжения в рабочем диапазоне.

Разрядные характеристики аккумуляторов и суперконденсаторов

Рис. 5. Разрядные характеристики аккумуляторов и суперконденсаторов

Еще одним преимуществом суперконденсаторов перед аккумуляторами является широкий диапазон рабочих температур. Это касается как процесса заряда, так и процесса разряда. На рынке присутствуют модели суперконденсаторов, которые способны работать при отрицательных температурах до -40°С и при положительных до +125 °С. В качестве примера можно привести ультраконденсторы от компания FastCAP (рис. 6). Разумеется, на рынке присутствуют и аккумуляторы с широким диапазоном рабочих температур, однако речь идет о специализированных решениях.

Существуют модели ультарконденсаторов, способные работать в широком диапазоне температур

Рис. 6. Существуют модели ультарконденсаторов, способные работать в широком диапазоне температур, например, ультраконденсторы от компания FastCAP

Примеры суперконденсаторов

В заключение краткого экскурса по суперконденсатором приведем некоторые конкретные примеры.

Широкий спектр суперконденсаторов выпускает компания LS Mtron, которая была создана на базе одного из подразделений LG Electronics. В номенклатуре LS Mtron можно найти модели с традиционной рулонной и прямоугольной конструкцией, а также суперконденсаторные батареи и модули (рис. 7).

Суперконденсаторы FastCAP отличаются широким диапазоном рабочих температур -40…+125 °С

Рис. 7. Суперконденсаторы FastCAP отличаются широким диапазоном рабочих температур -40…+125 °С

Еще одним известным производителем суперконденсаторов является компания SPSCAP, которая предлагает несколько серий одноячеечных суперконденсаторов с диапазоном выходных токов 0,9…250 А (рис. 8). SPSCAP также выпускает ультраконденсаторные батареи.

Суперконденсаторы от компании SPSCAP

Рис. 8. Суперконденсаторы от компании SPSCAP

Интересный модельный ряд суперконденсаторов предлагает корейская компания VINATech. Кроме того, это один из немногих производителей, который выпускает суперконденсаторы с рабочим напряжением 3,0 В.

Суперконденсаторы и суперконденсаторные батареи от VINATech с рабочим напряжением до 3 В

Рис. 9. Суперконденсаторы и суперконденсаторные батареи от VINATech с рабочим напряжением до 3 В

На портале УНИТЕРа мы также неоднократно рассказывали и о некоторых уникальных решениях, к числу которых можно отнести и сверхтонкие суперконденсаторы DMHA14R5V353M4ATA0 от компании Murata. Эти суперконденсаторы имеют толщину всего 0,4 мм (рис. 10).

Сверхтонкие суперконденсаторы DMHA14R5V353M4ATA0

Рис. 10. Сверхтонкие суперконденсаторы DMHA14R5V353M4ATA0 имеют толщину всего 0,4 мм

В одной из статей мы также рассказывали о суперконденсаторах от компании FastCAP , которые отличаются широким диапазоном рабочих температур -40…+125 °С (рис. 11).

Суперконденсаторы от компании FastCAP с широким диапазоном рабочих температур

Рис. 11. Суперконденсаторы от компании FastCAP с широким диапазоном рабочих температур

Алгоритм выбора суперконденсаторов

Как уже отмечалось выше, суперконденсаторы могут использоваться либо в качестве основного накопителя энергии, либо в качестве буферного элемента при работе в связке с основным аккумулятором. Разумеется, алгоритм выбора суперконденсатора в этих случаях будет отличаться, однако основные шаги будут примерно одинаковыми.

Для начала следует определиться с основными параметрами суперконденсатора – с рабочим напряжением и с максимальным выходным током.

Суперконденсаторы не любят перенапряжений, по этой причине при выборе подходящего накопителя следует позаботиться о согласовании рабочего напряжения. Для увеличения рабочего напряжения можно использовать последовательное включение суперконденсаторов, однако не стоит забывать, что в таком случае емкость будет уменьшаться. Кроме того, при необходимости следует предусмотреть защитные цепи для ограничения напряжения.

Далее следует рассчитать величину емкости. Рассмотрим алгоритм расчета, предложенный компанией SPSCAP. Для начала необходимо выбрать сценарий разряда суперконденсатора. Разряд может происходить либо с постоянным током, либо с постоянным напряжением.

Разряд с постоянным током. При таком сценарии ток разряда имеет фиксированное значение, а емкость будет рассчитываться по формуле:

C = It / (Vwork -Vmin),

где Vwork – номинальное рабочее напряжение, Vmin – минимально допустимое напряжение, I – ток разряда (постоянная величина в данном случае), t – время разряда.

Например, если Vwork=5 В, Vmin=4,2 В, t = 10 с, I =100 мА = 0,1 А, тогда:

C = 0,1 * 10 / (5 -4,2) = 1,25 Ф.

При выборе конкретной модели суперконденсатора необходимо предусмотреть некоторый запас по емкости. Кроме того, следует учесть температурную зависимость емкости. После выбора конкретной модели суперконденсатора следует свериться с температурной характеристикой, чтобы убедиться в том, что емкость превышает рассчитанное значение во всем диапазоне рабочих температур.

Разряд с постоянной мощностью. В таком случае мощность разряда остается фиксированной, а  емкость будет рассчитываться по формуле:

C = 2Pt/ (Vwork2 -Vmin2)

где Vwork – номинальное рабочее напряжение, Vmin – минимально допустимое напряжение, P – мощность разряда (постоянная величина в данном случае), t – время разряда.

Например, если предполагается разряд суперконденсатора в течение 10 секунд при постоянной мощности 200 кВт, а диапазон рабочего напряжения составляет 450 В - 750 В, тогда требуемая емкость составит:

С = 2 * 200 кВт * 10 / (7502-4502) = 11 Ф

В данном случае вновь следует предусмотреть некоторый запас и температурную зависимость емкости.

Источник:

Производитель: Elna America Inc.
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
DSK-3R3H224U-HL
DSK-3R3H224U-HL
Elna America Inc.
Арт.: 272108 ИНФО PDF
Поиск
предложений
Ионистор: 0.22 Ф, 3.3 В, SMD, ф  6.8x2.1
DSK-3R3H224U-HL
-
Поиск
предложений
DB-5R5D104T
DB-5R5D104T
Elna America Inc.
Арт.: 579861 ИНФО PDF
Поиск
предложений
Supercapacitors / Ultracapacitors MEM CAP 5.5V 0.1F
DB-5R5D104T
-
Поиск
предложений
DX-5R5V224U
DX-5R5V224U
Elna America Inc.
Арт.: 581543 ИНФО PDF
Поиск
предложений
Supercapacitors / Ultracapacitors V/MOUNT 5.5V 0.22F
DX-5R5V224U
-
Поиск
предложений
DB-5R5D224T
DB-5R5D224T
Elna America Inc.
Арт.: 1043347 ИНФО PDF
Поиск
предложений
Supercapacitors / Ultracapacitors MEM CAP 5.5V 0.22F
DB-5R5D224T
-
Поиск
предложений
Производитель: PANASONIC (Matsushita Electric Industrial)
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
EECF5R5U224
EECF5R5U224
PANASONIC (Matsushita Electric Industrial)
Арт.: 351219 ИНФО PDF
Доступно: 2343 шт. 99,50
CAP, DOUBLE, 0.22F, 5.5V, RAD
EECF5R5U224 99,50 от 39 шт. 85,50 от 85 шт. 77,00 от 183 шт. 71,00 от 481 шт. 67,50
801 шт.
(на складе)
1542 шт.
(под заказ)
EECF5R5U105
EECF5R5U105
PANASONIC (Matsushita Electric Industrial)
Арт.: 1082068 ИНФО PDF
Доступно: 1810 шт. 171,00
CAP, DOUBLE, 1F, 5.5V, RAD
EECF5R5U105 171,00 от 23 шт. 146,00 от 50 шт. 132,00 от 100 шт. 122,00 от 300 шт. 116,00
1601 шт.
(на складе)
209 шт.
(под заказ)
EECRG0V224VN
EECRG0V224VN
PANASONIC (Matsushita Electric Industrial)
Арт.: 2293796 ИНФО PDF
Доступно: 922 шт. 119,00
Product Information Capacitance: 0.22F Voltage Rating: 3.6VDC Capacitor Terminals: Radial Leaded Product Range: RG Series Capacitance Tolerance: +80%,…
EECRG0V224VN 119,00 от 32 шт. 102,00 от 71 шт. 92,00 от 153 шт. 85,00 от 402 шт. 81,00
48 шт.
(на складе)
874 шт.
(под заказ)
Производитель: Vishay Intertechnology Inc.
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
MAL219612334E3
MAL219612334E3
Vishay Intertechnology Inc.
Арт.: 855222 ИНФО PDF
Поиск
предложений
Supercapacitors / Ultracapacitors .33F 5.5V -20/+80% 13x7
MAL219612334E3
-
Поиск
предложений
Производитель: IOXUS
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
RSC2R7128LR
RSC2R7128LR
IOXUS
Арт.: 1370807 ИНФО PDF
Поиск
предложений
Суперконденсатор 1200F 2.7 Volts Capacitance: 1200 Farads Voltage Rating: 2.7 V Tolerance: 10 % Termination Style: Screw Operating Temperature Range: - 40 C to + 65 C Case Length: 80 mm Case Diameter: 60.5 mm
RSC2R7128LR
-
Поиск
предложений
Производитель: CAP-XX Ltd
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
GA209F
GA209F
CAP-XX Ltd
Арт.: 1917183 ИНФО PDF
Поиск
предложений
Суперконденсатор для поверхностного монтажа: CAP-XX 0.080F +/- 20%, 4.5V, ESR- 130мОм; Размеры: 20 х 18 х 2.2 mm, -40 to +70 C
GA209F
-
Поиск
предложений
Производитель: VINA TECH Co, Ltd.
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
WEC3R0335QG
WEC3R0335QG
VINA TECH Co, Ltd.
Арт.: 2681227 ИНФО PDF
Доступно: 499 шт. 75,50
Ионистор, 3,0 В, 3,3 Ф, 8x20 мм с радиальными выводами
WEC3R0335QG 75,50 от 51 шт. 64,50 от 112 шт. 58,50 от 241 шт. 54,00 от 635 шт. 51,00
10 шт.
(на складе)
489 шт.
(под заказ)
WEC3R0156QG
WEC3R0156QG
VINA TECH Co, Ltd.
Арт.: 2682490 ИНФО PDF
Доступно: 242 шт. 83,50
Ионистор, 3,0 В, 15 Ф, 13x25 мм с радиальными выводами
WEC3R0156QG 83,50 от 22 шт. 83,50 от 48 шт. 83,50 от 103 шт. 83,50 от 269 шт. 83,50
95 шт.
(на складе)
147 шт.
(под заказ)
WEC6R0155QG I
WEC6R0155QG I
VINA TECH Co, Ltd.
Арт.: 2692745 ИНФО PDF
Доступно: 391 шт. 125,00
Ионистор, 6,0 В, 1,5 Ф, 8,5x17x15,5 мм с радиальными выводами
WEC6R0155QG I 125,00 от 18 шт. 125,00 от 40 шт. 125,00 от 85 шт. 125,00 от 223 шт. 125,00
140 шт.
(на складе)
251 шт.
(под заказ)
VLCRS3R8107MG
VLCRS3R8107MG
VINA TECH Co, Ltd.
Арт.: 2719360 ИНФО PDF
Доступно: 118 шт. 317,00
Литий-Ионный конденсатор, 3,8 В, 100 Ф, 18x40 мм с радиальными выводами
VLCRS3R8107MG 317,00 от 6 шт. 317,00 от 13 шт. 317,00 от 27 шт. 317,00 от 71 шт. 317,00
99 шт.
(на складе)
19 шт.
(под заказ)

Сравнение позиций

  • ()