Supercapacitoarele sunt dispozitive electronice care pot stoca foarte mari cantități de sarcină electrică. Ele combină proprietățile capacitoarelor și bateriilor într-un singur dispozitiv. Supercapacitoarele au o capacitate mult mai mare decât cele obișnuite, dar au limite de tensiune mai mici. Ele pot accepta și livra sarcină electrică mult mai rapid decât bateriile și tolerează mult mai multe cicluri de încărcare și descărcare decât bateriile reîncărcabile.
Supercapacitoarele folosesc două mecanisme pentru a stoca energia electrică: (1) capacitatea dublului strat și (2) pseudocapacitatea.
Capacitarea dublului strat este de origine electrostatică, în timp ce pseudocapacitatea este de origine electrochimică, ceea ce înseamnă că supercapacitoarele combină modul de funcționare al capacitoarelor normale cu cel al bateriilor obișnuite.
Capacitățile obținute folosind tehnologia actuală pot fi de până la 12000 F. În comparație, auto-capacitatea întregii planete Pământ este de aproximativ 710 µF, adică de 15 milioane de ori mai mică decât capacitatea unui supercapacitor de 10000 F.
Supercapacitoarele au timp de încărcare și descărcare comparabil cu cel al capacitoarelor obișnuite. Este posibil să se obțină curenți de încărcare și descărcare foarte mari datorită rezistenței interne scăzute. Bateriile necesită de obicei până la câteva ore pentru a ajunge la o stare de încărcare completă − un exemplu bun este o baterie de telefon mobil, în timp ce supercapacitoarele pot fi aduse la aceeași stare de încărcare în mai puțin de două minute.
Supercapacitoarele au o putere specifică de 5 până la 10 ori mai mare decât cea a bateriilor. De exemplu, în timp ce bateriile Li-ion au o putere specifică de 1 … 3 kW/kg, puterea specifică a unui supercapacitor tipic este de aproximativ 10 kW/kg. Această proprietate este foarte importantă în aplicațiile care necesită eliberarea rapidă a unor impulsuri de curent din dispozitivul de stocare.
Supercapacitoarele sunt mai sigure decât bateriile obișnuite atunci când sunt supuse unor tratamente necorespunzătoare. În timp ce bateriile sunt cunoscute că pot să explodeze datorită supraîncălzirii, atunci când sunt scurtcircuitate, supercapacitoarele nu se încălzesc la fel de mult datorită rezistenței interne scăzute. Scurtcircuitarea unui supercapacitor complet încărcat va provoca o eliberare rapidă a energiei stocate, care poate cauza arcuri electrice și poate deteriora dispozitivul, dar spre deosebire de baterii, căldura generată nu este o problemă.
Pe scurt
Supercapacitoarele sunt dispozitive de stocare a energiei electrice care au avantaje și dezavantaje în comparație cu bateriile obișnuite. Iată câteva dintre ele:
Avantaje:
- Supercapacitoarele au o putere specifică mai mare decât bateriile, ceea ce înseamnă că se pot încărca și se pot descărca mult mai rapid, la curent foarte mare, fără a se supraîncălzi sau a se deteriora.
- Supercapacitoarele au o durată de viață mai lungă decât bateriile, deoarece nu suferă degradarea chimică sau mecanică cauzată de ciclurile de încărcare și descărcare repetate.
- Supercapacitoarele sunt mai sigure decât bateriile, deoarece nu conțin substanțe toxice sau inflamabile și nu prezintă riscul de explozie sau incendiu în caz de scurtcircuit sau supratensiune.
- Supercapacitoarele pot rezista la temperaturi mai ridicate decât bateriile.
Dezavantaje:
- Supercapacitoarele au o densitate energetică mai mică decât bateriile, ceea ce înseamnă că nu pot stoca la fel de multă energie în același volum sau greutate.
- Supercapacitoarele au o tensiune de lucru mai mică decât bateriile, ceea ce înseamnă că au nevoie de circuite suplimentare pentru a se adapta la tensiunea necesară aplicațiilor.
- Supercapacitoarele au un cost mai mare decât bateriile, deoarece necesită materiale și tehnologii mai avansate pentru fabricarea și integrarea lor.
- Supercapacitoarele au o auto-descărcare mai mare decât bateriile, ceea ce înseamnă că pierd o parte din energia stocată atunci când nu sunt folosite.
În ciuda dezavantajelor, supercapacitoarele sunt o tehnologie promițătoare care are potențialul de a revoluționa modul în care stocăm și folosim energia.
Aplicații
Supercapacitoarele sunt dispozitive de stocare a energiei care pot stoca și elibera o cantitate mare de energie într-un timp scurt. Sunt utilizate într-o varietate de aplicații, inclusiv:
- Autovehicule: Supercapacitoarele pot fi utilizate pentru a îmbunătăți performanțele vehiculelor electrice și hibride. Pot fi folosite pentru a stoca energia recuperată în timpul frânării regenerative și pentru a furniza o energie la pornire sau la o accelerație suplimentară.
- Sisteme de alimentare de rezervă: Supercapacitoarele pot fi utilizate pentru a furniza alimentare de rezervă pentru sistemele electronice importante, cum ar fi serverele și sistemele de comunicații.
- Instrumente de putere: Supercapacitoarele pot fi utilizate pentru a furniza putere pentru uneltele electrice și alte dispozitive care necesită o cantitate mare de putere într-un timp scurt (de exemplu, în aplicații medicale portabile).
- Dispozitive portabile: Supercapacitoarele pot fi utilizate pentru a alimenta dispozitivele portabile, cum ar fi telefoanele mobile, laptopurile și camerele digitale, când se activează brusc.
- Stocarea energiei: Supercapacitoarele pot fi utilizate pentru a stoca energie pentru aplicații care cer vârfuri de energie, la cerere. De exemplu, pentru a stoca energia solară sau eoliană ce poate fi utilizată noaptea sau atunci când nu există lumină de la soare sau vânt.
Scheme de încărcare diferite pentru supercapacitoare.
- Cea mai utilizată este încărcarea la curent constant (CC) urmată de încărcarea la tensiune constantă (CV). În această schemă, supercapacitorul este inițial încărcat cu un curent constant până când tensiunea atinge o anumită valoare. După aceea, curentul este redus la o valoare constantă până când tensiunea atinge tensiunea maximă de încărcare a supercapacitorului.
- O altă schemă de încărcare este încărcarea la tensiune constantă, urmată de curent constant (CV/CC). În această schemă, supercapacitorul este inițial încărcat cu o tensiune constantă până când curentul scade la o anumită valoare. După aceea, tensiunea este crescută treptat până când supercapacitorul este complet încărcat.
Schema de încărcare optimă pentru un supercapacitor depinde de o serie de factori, cum ar fi capacitatea supercapacitorului, tensiunea maximă de încărcare și curentul de încărcare maxim. Este important să se utilizeze o schemă de încărcare care să prevină supraîncărcarea sau supraîncălzirea supercapacitorului.
Iată câteva sfaturi pentru încărcarea în siguranță a supercapacitoarelor:
- Utilizați o sursă de alimentare care este compatibilă cu tensiunea maximă de încărcare a supercapacitorului.
- Utilizați o schemă de încărcare care este proiectată special pentru supercapacitoare.
- Nu depășiți niciodată curentul de încărcare maxim al supercapacitorului.
- Nu încărcați niciodată supercapacitorul peste tensiunea maximă de încărcare.
- Supravegheați supercapacitorul în timpul încărcării pentru a preveni supraîncălzirea.
Astfel, puteți încărca în siguranță supercapacitoarele și le puteți prelungi durata de viață.
Încărcător de supercapacitor − Analog Devices® LTC 3110. Încărcătorul de supercapacitor 2 A de la Analog Devices are funcționare bidirecțională pentru încărcare rapidă și backup de sistem. — Sursa: Analog Devices
LTC3110 de la Analog Devices este un regulator bidirecțional buck-boost DC/DC cu încărcător de capacitor și echilibrator. Tensiunea sa largă pentru capacitor/baterie de la 0,1 V până la 5,5 V și intervalele de tensiune de rezervă ale sistemului de la 1,8 V până la 5,25 V îl fac potrivit pentru o mare varietate de aplicații de rezervă folosind supercapacitoare sau baterii. Un algoritm proprietar de comutare cu zgomot redus optimizează eficiența cu tensiunile capacitorului/bateriei și tensiunea de ieșire a sistemului. LTC3110 poate trece în mod autonom de la modul de încărcare la modul de rezervă sau poate comuta modurile pe baza unei comenzi externe. Modul Burst® de funcționare, selectabil printr-un pin, reduce curentul de așteptare și îmbunătățește eficiența la sarcină ușoară, ceea ce, combinat cu un curent de oprire de 1 μA, face ca LTC3110 să fie ideal pentru aplicațiile de rezervă. Caracteristicile suplimentare includ supraveghetoare de tensiune pentru controlul direcției și sfârșitul încărcării și un comparator de uz general cu ieșire cu colector deschis pentru interfața cu un μC. LTC3110 este disponibil în capsule TSSOP 24, cu profil redus, îmbunătățite termic și QFN de 4 mm × 4 mm.
Circuitul integrat pentru controler de putere LTC3351 35-V hot-swap de la Analog Devices încarcă și monitorizează o stivă în serie de unul până la patru supercapacitoare. Utilizează MOSFET-uri cu canal N pentru a oferi o cale de putere cu pierderi reduse de la intrare la ieșire, plus limitarea curentului pentru a reduce curentul de pornire. Dispozitivul permite o alimentare fiabilă, neîntreruptă, pe termen scurt, în cazul unei căderi de curent principal pentru aplicații precum unitățile SSD și DIMM-urile nevolatile.
Surse imagine: EDN și Analog Devices
Există o serie de locuri unde puteți găsi scheme de încărcare. Unele dintre cele mai populare locuri includ:
- Librăriile de electronice. Cărți și reviste care se ocupă de electricitate și electronică pot conține scheme de încărcare pentru o varietate de dispozitive, inclusiv supercapacitoare.
- Internetul. Există site-uri web care oferă scheme de încărcare.
- Forumuri online dedicate subiectului electronicii. Aceste forumuri pot fi o sursă excelentă de informații despre scheme de încărcare.
Când căutați o schemă de încărcare, este important să luați în considerare următorii factori:
- Tipul de supercapacitor: Există tipuri diferite de supercapacitoare, fiecare cu propriile sale caracteristici unice. Este important să alegeți o schemă de încărcare care este compatibilă cu tipul de supercapacitor utilizat.
- Capacitatea supercapacitorului: Unitatea de măsură a supercapacitorului este faradul (F). Cu cât capacitatea supercapacitorului este mai mare, cu atât mai multă energie poate stoca. Este important să alegeți o schemă de încărcare care poate furniza suficient curent pentru a încărca supercapacitorul în timp util.
- Tensiune maximă de încărcare: Tensiunea maximă de încărcare a supercapacitorului este măsurată în volți (V). Este important să nu depășiți niciodată tensiunea maximă de încărcare a supercapacitorului, deoarece acesta se poate deteriora.
- Curentul de încărcare maxim: Curentul de încărcare maxim al supercapacitorului este măsurat în amperi (A). Este important să nu depășiți niciodată curentul de încărcare maxim al supercapacitorului, deoarece se poate încălzi și poate reduce durata de viață a acestuia.
Dacă nu sunteți sigur de tipul de schemă de încărcare de care aveți nevoie, este întotdeauna mai bine să consultați un profesionist.
Nota 1
Un supercapacitor poate alimenta un card. Cardurile bancare nu sunt alimentate permanent cu energie electrică. Ele folosesc un cip RFID (Radio-Frequency Identification) care este alimentat de semnalul radio emis de terminalul de plată. Când este plasat în terminalul de plată, cipul RFID este alimentat și emite un semnal care conține informații despre cardul bancar. Aceste informații sunt folosite pentru a autoriza tranzacția, pentru a face plăți fără contact, convenabil și rapid.
Sursa: TDK
Cardurile bancare cu cip RFID sunt mai sigure decât cardurile bancare cu banda magnetică, fiindcă cipul RFID este mult mai greu de clonat.
Pentru a alimenta un card cu un supercapacitor, este necesară conectarea prin intermediul unui circuit imprimat conectat în interior la controlerul cardului.
Datorită densității sale de energie mai mari, un supercapacitor poate alimenta un card mai mult timp decât un capacitor convențional. Deci, este o alegere bună pentru aplicații care necesită o alimentare fiabilă.
Câteva exemple de aplicații în care un supercapacitor poate fi utilizat pentru a alimenta un card:
Carduri de securitate, Carduri de acces, Carduri de credit și debit, Carduri de memorie, Carduri SIM, Carduri RFID.
Supercapacitoarele sunt o tehnologie relativ nouă, dar câștigă rapid în aplicații datorită avantajelor lor față de capacitoarele convenționale și de baterii.
TDK
Caracteristicile de bază ale supercapacitoarelor dublu strat de la TDK (EDLC)
- Fiabile la multe cicluri de încărcare/descărcare.
- Fără pericol de aprindere sau explozie.
Asistența bateriei. Pentru a uniformiza energia livrată de baterie, un supercapacitor vine cu un suport de energie.
Utilizări ale capacitoarelor electrice dublu strat de la TDK (EDLC)
- Asistență la baterie: asistență instantanee cu energie atunci când se alimentează un motor electric, afișare cu LED-uri, imprimante.
- Asistență la alimentare – nivelarea tensiunii în timpul sarcinilor mari în domeniul audio.
- Asistență la baterie în timpul transmisiei fără fir în contoare inteligente (de apă, gaz, căldură) alimentate cu baterie.
- Asistență pentru alimentare în timpul funcționării senzorilor de amprentă/cardurilor de autentificare a amprentei.
- Alimentare de rezervă în timpul pierderii alimentării unui dispozitiv SSD. Suport la schimbarea unei baterii în dispozitive compacte.
- Stocarea micro-energiei generate din mediu și furnizarea atunci când este necesar pentru senzori fără baterie, folosiți în IoT
- Stocarea energiei regenerative cu fluctuații mari și asistența bateriei la încărcare/descărcare.
Asistența bateriei. Când sarcina bateriei are fluctuații mari, un supercapacitor dă un suport pentru a stabiliza tensiunea.
Nota 2
Auto-capacitatea Pământului este de aproximativ 710 μF, presupunând că dielectricul spațiului liber este vidul. Capacitatea planetei Marte este de 378 μF. La prima vedere, este posibil să nu fie clar de unde provin aceste cifre sau cum o planetă poate avea o capacitate. Și dacă o planetă are o capacitate, ar putea avea și o inductanță, și dacă da, ar putea avea și o frecvență de rezonanță? Răspunsul este DA, la aceste întrebări. Interesant este că este posibil ca Nicola Tesla să fi fost primul care a reflectat la aceste probleme.
Capacitatea unei planete provine din ecuația pentru capacitatea unei sfere. Capacitatea C a unei sfere cu raza R este dată de C=4πεR. Aici ε este permitivitatea mediului dielectric. Având în vedere că majoritatea capacitoarelor implică o diferență de potențial între două plăci, s-ar putea să vă întrebați unde este cealaltă placă atunci când vorbim despre o sferă.
Putere de rezervă. Când bateria e descărcată sau apare o întrerupere, un supercapacitor menține alimentarea.
Răspunsul: Celălalt conductor este considerat a fi la infinit. Deci permitivitatea din ecuație devine ε0, permitivitatea spațiului liber. (Probabil o estimare bună, deoarece cea mai mare parte a zonei dintre pământ și infinit este într-adevăr ocupată de spațiul liber.) Raza pământului = 6.378 km. Astfel, capacitatea pământului C = 4π×8.854×10-12 ×6.378×103 = 7.096×10-4 Farad, sau 710 μF. Deoarece Marte are o rază de 3.400 km, capacitatea sa este mai mică. Puteți folosi ecuația pentru capacitatea dintre două sfere și puteți face câteva presupuneri pentru a veni cu estimarea capacității dintre Pământ și Lună ca fiind 159 μF.
TDK este un furnizor global și lider recunoscut al produselor de conversie a puterii potrivite pentru multe aplicații, industriale și energetice, medicale și asistență medicală, testare și măsurare, semifabricate și TIC/difuzare.
Stocarea energiei. Energia recoltată de la soare sau vânt este variabilă, dar un supercapacitor depozitează energie pentru a asigura o alimentare stabilă a sarcinii.
Constantin Savu
Director General – Ecas Electro
ECAS Electro | www.ecas.ro
ECAS Electro este distribuitor al produselor TDK
Detalii tehnice:
Ing. Emil Floroiu (emil@floroiu.ro)
birou.vanzari@ecas.ro
Referințe Web:
• https://www.testandmeasurementtips.com
• https://product.tdk.com/en/techlibrary/productoverview/slim-pouch-edlc.html
• https://product.tdk.com/en/search/capacitor/edlc/edlc/info?part_no=EDLC351420-501-2F-50
• https://www.edn.com/supercap-charger-operates-bidirectionally
• https://www.edn.com/backup-controller-protects-supercapacitors
Stocarea energiei. Energia regene ra tivă e variabilă, dar un supercapacitor depozitează energie pentru a asigura o alimentare stabilă a sarcinii. — Sursa: TDK