Figura 1: Structura unui capacitor electronic cu strat dublu (EDLC)
EDLC-urile, cunoscute și sub numele de supercondensatoare sau ultracapacitoare, (sau variantele din limba engleză “supercaps” sau “boost caps”), sunt condensatoare electrochimice, care combină o capacitate mare cu o rezistență internă scăzută. Prin urmare, aceste dispozitive sunt potrivite pentru o gamă largă de aplicații. Dar ce sunt supercondensatoarele și ce trebuie luat în considerare?
Un EDLC (Electronic Double-Layer Capacitor – capacitor electronic cu strat dublu) este format din doi electrozi de aluminiu acoperiți cu carbon (figura 1). Datorită structurii lor foarte poroase, rezultă o suprafață extrem de mare, care este în primul rând responsabilă pentru capacitatea ridicată. Hârtia separatoare dintre electrozi acționează în același timp ca un rezervor pentru electrolit. Acesta este format în principal din acetonitril (ACN). Este utilizat ca solvent pentru dizolvarea sărurilor care măresc conductivitatea. Atunci când se aplică o tensiune continuă, purtătorii de sarcină se colectează în funcție de polaritate la o distanță extrem de mică de suprafața de carbon. Acest efect, cunoscut sub numele de strat Helmholtz, formează dielectricul. Deoarece se întâmplă atât la electrodul pozitiv, cât și la cel negativ, componentele sunt denumite condensatoare cu strat dublu.
Figura 2: Bateria primară furnizează în mod constant un curent relativ scăzut, iar supercondensatorul acoperă vârfurile maxime de consum.
Sisteme de stocare a energiei bazate pe supercondensatoare
Trei aplicații sunt relevante pentru supercondensatoare: recoltarea de energie, preluarea vârfurilor de putere și stocarea de energie. Obiectivul este de a dezvolta un sistem de stocare a energiei bazat exclusiv pe supercondensatoare sau combinat cu o baterie, unde supercondensatorul este utilizat ca depozit secundar pentru a acoperi vârfurile de putere.
Recoltarea de energie
Figura 3: În cazul în care sursa de energie cedează (de exemplu, rețeaua electrică), supercondensatoarele pot acționa ca sursă de rezervă pentru a furniza energia necesară, de exemplu, pentru a opri în siguranță serverele.
În cazul recoltării de energie, sursa primară de energie, de exemplu un panou solar, necesită o metodă de stocare a energiei generate și de recuperare a acesteia în funcție de necesități, de exemplu prin intermediul unui supercondensator. Este important, însă, să se țină seama că, în comparație cu bateriile, supercondensatoarele au un curent de scurgere mai mare sau o rată de autodescărcare mai mare. În timpul fazei de recoltare sau de încărcare, curentul de încărcare ar trebui să fie de cel puțin zece ori mai mare decât curentul de scurgere.
Gestionarea impulsurilor de putere
În cazul în care o aplicație are nevoie în mod repetat de vârfuri de putere, un supercondensator le poate acoperi, prelungind, astfel, durata de viață a sursei primare de energie, de exemplu o baterie (figura 2). În acest caz, ESR-ul (rezistența echivalentă serie) a condensatorului este cel mai important parametru și stă la baza alegerii supercondensatorului. Ca regulă generală, ESR-ul condensatorului ar trebui să fie în jur de 25% din ESR-ul bateriei primare.
Sursă de energie de rezervă
Supercondensatoarele sunt capabile să furnizeze energie pentru o anumită perioadă de timp (figura 3). Sistemul nu trebuie neapărat să aibă o sursă de energie, cum ar fi o baterie. Printre exemple se numără aplicațiile pentru ceasuri în timp real care necesită câțiva microwați de energie pe parcursul mai multor zile sau chiar săptămâni, dar și aplicațiile foarte consumatoare de energie, cum ar fi tramvaiele, care trebuie să traverseze o distanță scurtă fără linie aeriană. De asemenea, supercondensatoarele sunt potrivite pentru funcționarea sistemelor de transport fără șofer (vehicule cu ghidaj automat, AGV) pe o anumită distanță fără a fi nevoie de o baterie.
Parametrii importanți în dezvoltarea de aplicații cu supercondensatoare
Anumiți parametri trebuie să fie luați în considerare pentru proiectele care implică supercondensatoare. Cei mai importanți dintre aceștia sunt:
- Intervalul de temperatură
- Durata de funcționare
- Ciclurile de încărcare și descărcare de-a lungul duratei de viață
- Intervalul de tensiune utilizabil
- Costurile
- Parametrii de încărcare
- Echilibrarea
Intervalul de temperatură: Datorită compoziției lor chimice și fizice, supercondensatoarele au o putere foarte constantă pe o gamă foarte largă de temperaturi de funcționare. Curbele pentru capacitate și ESR în funcție de temperatură sunt disponibile de la furnizor, la cerere.
Durata de funcționare (de viață): Tensiunea de operare și temperatura au cea mai mare influență asupra duratei de viață a supercondensatoarelor. Dacă acestea sunt depozitate în stare neîncărcată, durata lor de viață este aproape nelimitată. În fișele tehnice, furnizorii precizează, ca date caracteristice ale duratei de viață, modificarea performanțelor care apare de obicei din cauza scăderii capacității și a creșterii rezistenței.
Cicluri pe durata de viață: În condiții de exploatare obișnuite, în funcție de celulă, un supercondensator poate efectua până la un milion de cicluri de lucru cu o reducere a capacității nominale care se situează, în majoritatea cazurilor, între 20 și 30%.
Gama de tensiuni utilizabile: Supercondensatoarele au o tensiune nominală de 2,7 sau 3,0V (cele hibride: 3,8V). Ele pot opera până când aceasta este 0V (tipurile hibride doar până la 2,2V). Componentele hibride combină proprietățile unei baterii cu cele ale unui supercondensator. Cu toate acestea, utilizarea lor trebuie analizată cu atenție din cauza tensiunii minime necesare. Unii furnizori specifică, de asemenea, în fișele lor tehnice valoarea creșterii bruște a tensiunii. Aceasta descrie tensiunea maximă absolută pentru o perioadă de maximum o secundă. Vârfurile de tensiune aleatorii peste tensiunea nominală nu deteriorează imediat capacitorul, dar, în funcție de frecvența și durata lor, pot reduce semnificativ durata de viață a acestuia.
Teoretic, conținutul total de energie al unui capacitor este E = ½ C·V2 (C = capacitatea, V = tensiunea). Deoarece majoritatea dispozitivelor electronice necesită o anumită tensiune minimă pentru a funcționa, acest lucru înseamnă că intervalul de tensiune nu se “întinde” niciodată de la tensiunea nominală la zero. Utilizând un interval de tensiune la jumătate din valoarea tensiunii nominale, se poate obține aproximativ 75% din energia disponibilă de la supercondensator.
Conținutul de energie cu descărcare parțială se calculează cu ajutorul următoarei formule:
E = ½ C (V2max – V2min)
Costuri: Prețul per watt-oră al unui supercondensator este relativ ridicat în comparație cu cel al bateriilor litiu-ion, de exemplu, motiv pentru care se recomandă să se analizeze foarte atent dacă dezvoltarea unui sistem cu un supercondensator are sens și este fezabilă. Costurile trebuie să fie comparate cu avantajele utilizării supercondensatoarelor.
Parametrii de încărcare: Supercondensatoarele nu stochează energia prin reacție chimică, la fel ca și bateriile, ci electrostatic. Prin urmare, acestea pot fi încărcate și descărcate în același mod și cu aceeași valoare a curentului. Acest lucru este posibil cu un curent constant sau o putere constantă de la o sursă de curent continuu.
Echilibrare: În general, tensiunea de operare a aplicațiilor pentru care sunt potrivite supercondensatoarele depășește cu mult tensiunea nominală a celulelor supercondensatorului, care este de 2,7 sau 3,0V. Pentru a obține tensiunea necesară, de exemplu, 12, 24 sau 48V, trebuie conectate în serie mai multe condensatoare. Diferitele toleranțe de capacitate și de curent de scurgere ale celulelor individuale ale condensatorului trebuie să fie echilibrate la încărcare cu ajutorul echilibrării celulelor, astfel încât celulele individuale să nu scadă sub intervalul lor de tensiune maximă. Sunt disponibile atât metode active, cât și pasive. În termeni simpli, echilibrarea pasivă este potrivită pentru aplicațiile cu o sarcină redusă, iar echilibrarea activă pentru cele cu o sarcină ridicată și cu secvențe mai rapide ale ciclurilor de încărcare/descărcare.
Figura 4: Curba de descărcare a supercondensatorului
Echilibrarea pasivă presupune conectarea unui rezistor de bypass sau a unei diode Zener în paralel cu fiecare celulă pentru a compensa curentul de scurgere din celulă și a reduce astfel diferențele de capacitate dintre celule. Dacă toate rezistoarele conectate în paralel sunt identice, celulele cu o tensiune mai mare ar trebui să se descarce mai repede decât celulele cu o tensiune mai mică din cauza rezistenței, ceea ce duce la echilibrarea tensiunilor individuale ale celulelor.
Echilibrarea activă presupune integrarea comparatoarelor de tensiune fie individual, fie într-un circuit combinat cu alte funcții de monitorizare/încărcare. Echilibrarea activă nu reglează continuu întregul curent de compensare, așa cum se întâmplă în cazul echilibrării pasive, ci doar atunci când tensiunea depășește un prag predefinit. Acest lucru face ca echilibrarea activă să fie foarte eficace și eficientă, dar și mai complexă și mai costisitoare. În general, un modul de supercondensator care are deja integrată cea mai mare parte a echilibrării este, în general, cea mai bună alegere. În acest caz, echilibrarea este adaptată optim la celule.
Scalarea unui supercondensator
În prima etapă a unei dezvoltări cu supercondensatoare, este esențial să se definească valorile parametrilor din figura 4. Aceștia determină operarea supercondensatorului în aplicație.
Vmax: Tensiunea maximă de operare.
Vmin: Tensiunea minimă sub care aplicația nu va funcționa.
Time: Timpul pentru care supercondensatorul trebuie să furnizeze o tensiune și un curent între tensiunea maximă și cea minimă.
Vdrop: Căderea de tensiune pe condensator datorată ESR-ului (determinată ulterior).
It: Curentul necesar pentru operarea dispozitivului. Deoarece majoritatea aplicațiilor necesită un curent aproape constant, dar unele au un curent nominal variabil, se specifică aici un curent mediu.
Sfârșitul duratei de viață a unui supercondensator
Un supercondensator ajunge la EOL (End of Life) atunci când, în comparație cu fișa tehnică, fie capacitatea a scăzut cu 30% (în unele aplicații, de exemplu, în aviație, se aplică 20%; în altele, de exemplu, în industria auto, 50%) fie ESR-ul s-a dublat (de regulă, la o reducere a capacității cu aproximativ 30%, în cazul celulelor de tip buton (monede) se aplică o creștere de 400%).
Criteriile EOL relevante pot fi găsite, de obicei, la rubrica “Durata de viață în curent continuu” din fișa tehnică.
Calculul capacității
Următoarea formulă (pentru IT sau C) poate fi utilizată pentru a determina capacitatea necesară a unui supercondensator:
IT = C dV/dT = C (Vmax – Vmin – Vdrop)/T
C = It T/(Vmax – Vmin – Vdrop)
Figura 5: Răspunsul ESR (în ohmi) în funcție de frecvență
Totuși, în prima etapă nu se ia în considerare căderea de tensiune (Vdrop):
C = It T/(Vmax – Vmin)
Se selectează, apoi, o capacitate standard, care este peste valoarea calculată. De exemplu, dacă rezultatul formulei este de 13,2 F, trebuie selectat un capacitor de 15 F.
Următoarea etapă este un al doilea calcul care ia în considerare valoarea maximă a ESR pentru curent continuu (sau la frecvență joasă). ESR pentru curent continuu este în mod normal definită în fișa tehnică; un exemplu este prezentat în figura 5.
Figura 6: Pe măsură ce capacitanța tipică scade de-a lungul duratei de viață a unui supercondensator, ESR-ul crește.
Căderea de tensiune (căderea ESR)
Vdrop = DC ESR It
C = It T/(Vmax – Vmin – Vdrop)
Figura 7: Pierderea capacitanței unui supercondensator; conform fișei tehnice, sfârșitul duratei de viață este atins la 65 până la 80% din capacitanța inițială.
Luând în considerare ESR Vdrop, rezultă o capacitanță finală mai mare, deoarece intervalul de tensiune utilizabil este redus. Această nouă valoare calculată trebuie să fie mai mică decât capacitanța selectată anterior. De exemplu, dacă aceasta este de 13,8 F, capacitorul de 15 F selectat este încă potrivit. Cu toate acestea, în cazul în care capacitanța calculată este mai mare de 15 F, trebuie selectat un capacitor cu o capacitanță mai mare. Este întotdeauna important să se țină cont de degradarea capacitanței și de ESR (Figura 6).
De exemplu, dacă luăm 80% din capacitanța originală pentru EOL și dacă valoarea calculată a capacitanței este de 13,8 F, capacitanța trebuie să fie de fapt cu 20% mai mare decât aceasta, adică 16,56 F. Înseamnă că trebuie ales un capacitor de 25 F, de exemplu.
Profilul de temperatură
Figura 8: Pentru aplicațiile care operează la temperaturi mai mici de 20°C (68°F), trebuie să se ia întotdeauna în considerare creșterea valorii ESR.
Un factor crucial atunci când se utilizează un supercondensator este profilul de temperatură al aplicației, deoarece acesta are o influență uriașă asupra diferitelor proprietăți ale supercondensatorului, în special asupra ESR-ului, capacitanței și curentului de scurgere. La rândul său, acest lucru are un impact asupra duratei sale de viață.
Rezistența internă (ESR) este aproape stabilă în intervalul mediu de temperatură și chiar scade ușor la temperaturi mai ridicate (Figura 8). Dacă componenta este exploatată la temperaturi mai mici de 20°C (68°F), creșterea ESR trebuie să fie luată în considerare și inclusă în calcule. În schimb, capacitanța este relativ stabilă pe întreaga evoluție a temperaturii, scăzând ușor doar la temperaturi joase.
În termeni simpli, curentul de scurgere este curentul minim care trebuie furnizat unui supercondensator pentru a menține permanent aceeași sarcină sau același nivel de tensiune. Acesta depinde în mod semnificativ de temperatură și de tensiunea aplicată. Cu fiecare creștere a temperaturii cu 10°C (50°F), crește de aproximativ două-trei ori și crește brusc peste 40°C (104°F) (Figura 9). O reducere a tensiunii cu 0,2V determină scăderea acesteia cu aproximativ 50%. Aceasta este proporțională cu capacitanța capacitorului și depinde de tipul electrolitului. Atunci când se utilizează ACN (acetonitril), este ușor mai mare decât cu PC (carbonat de propilenă).
Figura 9: Curentul de scurgere de la supercondensatoare în funcție de temperatură
Curentul de scurgere joacă un rol major în aplicațiile în care tensiunea este aplicată permanent, deoarece celulele trebuie să fie alimentate mereu cu curent pentru a menține tensiunea la un nivel constant. În cazul condensatoarelor conectate în serie care sunt conectate permanent la tensiune, curentul de scurgere este, de asemenea, important. Modificarea acestuia pe durata de viață scoate din echilibru sistemul, în timp. Celulele cu un curent de scurgere mai mic se încarcă ușor, iar celula cu cel mai mare curent de scurgere se descarcă ușor. Acest lucru duce la o îmbătrânire neuniformă suplimentară a celulelor din sistem. Echilibrarea pasivă ar fi un remediu în acest caz. Ca regulă generală: curentul de echilibrare ar trebui să fie de zece ori mai mare decât curentul de scurgere.
Figura 10: Ciclul de lucru al unui sistem de transport fără șofer cu un sistem de stocare a energiei cu supercondensatoare de 48V / 65 F cu o greutate de aproximativ șapte kilograme și un volum de nouă litri.
Exemplu de sistem de supercondensator
În depozitele pentru comerțul electronic modern, transferul foarte automatizat către stoc și procesele de colectare sunt adesea efectuate de sisteme de transport fără șofer (AGV). Acestea preiau cutii sau paleți de pe rafturi și le transportă către o stație de împachetare. O astfel de operațiune durează, în mod normal, două-trei minute. Alimentarea cu energie provine fie de la șinele de ghidare, fie de la un acumulator de energie încorporat (baterie sau supercondensator). Acest acumulator de energie poate fie să furnizeze energie pentru întreaga zonă și să fie încărcat la sfârșitul turei, fie să acopere doar o parte a traseului și să fie reîncărcat în mod regulat la o stație de încărcare între două sarcini.
Supercondensatoarele au progresat și au devenit o soluție populară de alimentare cu energie pentru aceste tipuri de vehicule fără șofer, în special în depozitele frigorifice sau în cazul în care este necesară o funcționare fără întreținere 24 de ore din 24, 7 zile din 7. Motivul este că acestea pot fi încărcate în timpul utilizării vehiculului în 10-30 de secunde pentru două-trei minute de utilizare, permițând astfel operatorului depozitului să obțină o utilizare a vehiculului de aproape 100% datorită timpilor scurți de întrerupere a încărcării. În plus, acestea pot funcționa în mare parte fără întreținere timp de peste zece ani și nu reprezintă probleme de siguranță, așa cum poate fi cazul bateriilor.
Autori:
Julio Gállego-López, Business Development Manager și Christian Kasper, Technical Support, Rutronik
Akos Labady, Senior Field Application Engineer, EATON
Rutronik | https://www.rutronik.com
