№10 / 2017 / статья 5

VINATech: единственные на рынке ионисторы с номинальным напряжением 3 В

Вячеслав Гавриков (г. Смоленск)

Большинство современных ионисторов (суперконденсаторов) выпускается с рейтингом напряжения 2,7 или 2,85 В. Единственным поставщиком этих компонентов с рейтингом 3,0 В является корейская компания VINATech. Даже столь незначительное повышение напряжения дает целый ряд преимуществ, например, позволяет существенно продлить срок службы компонента.

Суперконденсаторы (ионисторы, ультраконденсаторы) представляют собой элементы питания, которые занимают промежуточное положение между химическими источниками тока (аккумуляторами и батарейками) и обыкновенными конденсаторами (рисунок 1).

Рис. 1. Сравнение характеристик различных элементов питания [1]

Рис. 1. Сравнение характеристик различных элементов питания [1]

Традиционные аккумуляторы имеют целый ряд преимуществ: большую емкость, низкие токи утечек, малые габариты. Однако есть у них и недостатки: длительный цикл заряда, относительно невысокая нагрузочная способность, ограниченное число циклов заряда-разряда. Обычные электролитические конденсаторы отличаются практически неограниченным числом циклов заряда-разряда и высокой пиковой отдаваемой мощностью, но емкость их невелика. Ионисторы, они же суперконденсаторы, по величине емкости уступают только химическим источникам тока (ХИТ), а по скорости и мощности заряда и разряда приближаются к электролитическим конденсаторам.

История суперконденсаторов насчитывает более пятидесяти лет. Начало было положено в 1957 году компанией General Electric, которая создала и запатентовала первый конденсатор с двойным электрическим слоем. Далее последовали подобные разработки других компаний. В Советском Союзе выпускались аналогичные элементы – ионисторы КИ1-1.

Нелишне заметить: часто с целью обеспечения патентной чистоты для новых элементов придумывали новые названия. По сути, двухслойный электрохимический конденсатор, ультраконденсатор, суперконденсатор и ионистор – это одно и то же.

Сейчас на рынке присутствуют различные производители, которые, в основном, выпускают ультраконденсаторы с номинальным напряжением 2,7 В. Наиболее продвинутые предлагают элементы питания с напряжением 2,85 В. Единственной компанией, производящей суперконденсаторы с напряжением 3,0 В, является VINATech (Южная Корея).

Почему максимально высокое номинальное напряжение так важно для суперкондесаторов? Во-первых, чаще всего они применяются совместно с аккумуляторами, у которых напряжение в заряженном состоянии оказывается выше, чем 2,7 В, а значит, их прямое параллельное включение исключено. Вместо этого приходится использовать преобразователи или последовательно соединять суперконденсаторы, что осложняется необходимостью балансировки.

Во-вторых, как показывают исследования, если суперконденсатор работает при напряжениях меньше номинального, это приводит к резкому росту срока службы [2]. Например, для стандартных суперкондесаторов с рейтингом 2,7 В срок службы при напряжении 2,7 В и температуре 25°С составляет 15,7 лет, а при температуре 40°С падает до 6,6 лет (рисунок 2). При аналогичных условиях срок службы суперконденсаторов 3,0 В производства VINATech оценивается в 80,5 и 27,5 лет соответственно, то есть в 4…5 раз больше.

Рис. 2. Сравнение срока службы суперкондесторов 2,7 В и 3,0 В при рабочем напряжении 2,7 В

Рис. 2. Сравнение срока службы суперкондесторов 2,7 В и 3,0 В при рабочем напряжении 2,7 В

Таким образом суперконденсаторы 3,0 В VINATech имеют увеличенный срок службы не только при обычных, но и при повышенных температурах. По расчетам инженеров VINATech, даже при температуре 85°С суперконденсаторы будут работать почти полгода при напряжении 2,7 В (таблица 1).

Таблица 1. Зависимость срока службы суперконденсаторов 3,0 В VINATech от рабочего напряжения и температуры

Напряжение, В Температура, ºC
25 40 50 60 70 85
Тыс. часов Лет Тыс. часов Лет Тыс. часов Лет Тыс. часов Лет Тыс. часов Лет Тыс. часов Лет
2,1 2012 229,7 711,3 81,2 355,7 40,6 177,8 20,3 88,92 10,2 31,44 3,6
2,2 1423 162,4 503 57,4 251,5 28,7 125,7 14,4 62,87 7,18 22,23 2,5
2,3 1006 114,8 355,7 40,6 177,8 20,3 88,91 10,2 44,46 5,08 15,72 1,8
2,4 711,3 81,2 251,5 28,7 125,7 14,4 62,87 7,18 31,44 3,59 11,11 1,3
2,5 503 57,42 177,8 20,3 88,91 10,2 44,46 5,08 22,23 2,54 7,86 0,9
2,6 355,6 40,6 125,7 14,4 62,87 7,18 31,44 3,59 15,72 1,79 5,56 0,6
2,7 251,5 28,71 88,91 10,2 44,46 5,08 22,23 2,54 11,11 1,27 3,93 0,5
2,8 177,8 20,3 62,87 7,18 31,44 3,59 15,72 1,79 7,86 0,9 2,78 0,3
2,9 125,7 14,35 44,46 5,08 22,23 2,54 11,11 1,27 5,56 0,63 1,96 0,2
3 88,9 10,15 31,44 3,59 15,72 1,79 7,86 0,9 3,93 0,45 1,39 0,2

Краткие сведения о компании VINATech

Качество элементов питания (аккумуляторов, суперконденсаторов, конденсаторов) практически полностью определяется качеством материалов и соблюдением технологий. По этой причине к новичкам на этом рынке относятся настороженно. Такое же отношение может возникнуть и к VINATech, поэтому необходимо сказать несколько слов о данном производителе.

Южнокорейская компания VINATech только сейчас выходит на российский рынок, хотя в глобальном масштабе является одним из лидеров отрасли. С момента основания в 1999 году VINATech остается инновационным производителем. К настоящему времени компания успела зарегистрировать 183 патента, относящихся к конструктивным особенностям суперконденсаторов, используемым материалам и технологиям производства.

В 2002 году VINATech успешно завершила разработку собственной технологии углеродных нанотрубок CNF(Carbon Nano Fiber), после чего быстро наладила выпуск суперкондесаторов, гибридных конденсаторов и модулей под общим наименованием Hy-Cap.

С 2011 года компания VINATech запустила производство профильной продукции: элементов топливных ячеек, угольных фильтров и прочего.

Рассмотрим более подробно технологии и особенности элементов питания, предлагаемых компанией.

Обзор технологий суперконденсаторов и гибридных конденсаторов от VINATech

VINATech выпускает широкую номенклатуру суперконденсаторов Hy-Cap EDLC и гибридных конденсаторов Hy-Cap P-EDLC.

Суперконденсаторы Hy-Cap EDLC (Electric Double Layer Capacitor) построены по схеме с двойным электрическим слоем (ДЭС) (рисунок 3). Электроды суперконденсатора погружены в жидкий электролит и разделены сепаратором. На их поверхности сформирован слой пористого углеродного покрытия. При приложении внешнего напряжения свободные ионы электролита перемещаются в сторону противоположно заряженных электродов. Ионы не проникают внутрь и не взаимодействуют с поверхностью электродов из-за электрохимических особенностей углеродного покрытия. В результате образуются два электронных слоя, которые и являются источником запасаемой энергии.

Рис. 3. Структура ультраконденсатора

Рис. 3. Структура ультраконденсатора

Hy-Cap – Hybrid Capacitor, или Hy-Cap P-EDLC – комбинированные накопители энергии, у которых один из электродов выполнен по схеме ДЭС, а второй представляет собой псевдоконденсатор.

В суперконденсаторах для запасания энергии используется только электростатическое взаимодействие пассивных угольных электродов с электролитом. В псевдоконденсаторах применяются активные электроды, которые способны вступать в окислительно-восстановительные реакции с электролитом. То есть накопление энергии идет как за счет ДЭС, так и за счет обратимых химических реакций.

В результате емкость P-EDLC значительно выше, чем у EDLC, но, к сожалению, их пиковая мощность оказывается ощутимо меньше (таблица 2). По сроку службы Hy-Cap EDLC также оказываются далеко впереди. Таким образом, Hy-Cap EDLC будут идеальным выбором для устройств с ярко выраженным импульсным потреблением и значительными пиковыми токами, в то время как Hy-Cap P-EDLC подойдут для приложений с более равномерным распределением потребления.

Таблица 2. Сравнение характеристик Hy-Cap EDLC и Hy-Cap P-EDLC

Параметр Hy-Cap EDLC Hy-Cap P-EDLC
Механизм накопления Электростатическое накопление заряда Электростатическое накопление заряда + химическое взаимодействие
Рейтинг напряжения, В 2,5/2,7/3,0 2,3
Удельная емкость, Вт·ч/кг 3…5 7…12
Удельная мощность кВт/кг 2…3 1…2
Эффективность заряда-разряда, % 90…95 90…95
Диапазон рабочих температур, ℃ -40…70 -25…60
Срок службы, количество  циклов заряда-разряда более 500 000 более 100 000

При выборе подходящего накопительного элемента разработчикам необходимо определиться с типом элемента, величиной требуемой емкости, конфигурацией выводов и прочими параметрами. Широкая номенклатура накопителей от VINATech позволяет легко это сделать.

Суперконденсаторы и гибридные конденсаторы от VINATech

VINATech выпускает широкую номенклатуру одиночных суперконденсаторов Hy-Cap EDLC, одиночных гибридных конденсаторов Hy-Cap P-EDLC, а также их сборок. Кроме серийных образцов VINATech может производить накопители по техническому заданию заказчика (рисунок 4).

Рис. 4. Накопители производства VINATech

Рис. 4. Накопители производства VINATech

Таблица 3. Характеристики семейств накопителей от VINATech

Наименование Uном, В Емкость, Ф ESR, мОм Iмакс, А Iутечки, мА Габариты, мм Вес, г
AC
(1 кГц)
DC D L
Одиночные ячейки EDLC
VEC3R0xxxQx (прямые выводы) 3 1…60 12,5…145 19…220 1…42 0,003…0,18 8…18 13…40 1,1…13,5
VEC3R0xxxQx (выводы snap-in) 3 100…500 3…6 4,5…10 75…230 0,3…1,5 22…35 45…82 17,1…96,0
VEC2R7xxxQx (выводы snap-in) 2,7 1…100 10…130 16…195 1…51 0,002…0,2 8…18 13…59 0,7…15,0
VEC2R7xxxQx (выводы snap-in) 2,7 100…500 3…6 4,5…10 65…205 0,2…1,0 22…35 45…82 17,1…96,0
VEC2R7xxxHG-W (аксиальные выводы) 2,7 650…3000 0,21…0,5 0,28…0,7 603…2201 1,5…5,2 60,4 51,5…138 215…535
VEC2R7xxxHG-T (аксиальные выводы с резьбой) 2,7 650…3000 0,21…0,5 0,28…0,7 603…2201 1,5…5,2 60,4 51,5…138 215…535
VEC2R5xxxQx (прямые выводы) 2,5 1…60 25…400 40…600 0,5…22 0,002…0,12 8…18 13…40 0,7…10,2
VEC2R5xxxQx (выводы snap-in) 2,5 120…500 5…18 9…30 32…110 0,24…1,0 22…35 45…82 17,1…78,9
Одиночные ячейки P-EDLC
VHC2R3xxxQx (прямые выводы) 2,3 10…120 45…220 80…700 0,5…3 0,002…0,24 8…18 20…40 2,5…16,0
VHC2R3xxxQx (выводы snap-in) 2,3 220…800 10…30 15…45 3,5…12,5 0,44…1,6 22…35 45…70 17,1…69,2
Сдвоенные модули EDLC
VEC5R0xxxQx (прямые выводы) 5 0,5…7,5 145…805 205…1205 0,5…7,5 0,002…0,03 8,5…13 17…26 3,0…9,6
VEC5R4xxxQx (прямые выводы) 5,4 0,5…7,5 55…265 85…395 1…12,5 0,002…0,03 8,5…13 17…26 2,6…9,6
VEC6R0xxxQx (прямые выводы) 6 0,5…5,0 55…295 85…445 1…10 0,003…0,03 8,5…10,5 17…21 2,5…6,6
Высоковольтные модули
VEM16R0606QG 16 60 22 200 22 51,8×242,2 76,5 670
VEM16R0507QG 16 500 2,1 2000 5,2 68×418 177 5500
VEM48R0167QG 48 166 6,3 1900 5,2 191×418 177 13500

Одиночные суперконденсаторы Hy-Cap EDLC семейства VEC выпускаются в четырех конструктивных исполнениях (с прямыми выводами, с выводами-защелками, с аксиальными выводами, аксиальными выводами с резьбой) и с тремя номинальными напряжениями: 2,5/2,7/3,0 В.

Это самое «разношерстное» семейство, так как в него входят как относительно маломощные VEC3R0xxxQx с емкостью от 1 Ф и током от 1 А, так и мощные суперконденсаторы с аксиальными выводами, например, VEC2R7xxxHG, с емкостью до 3000 Ф и выходным током до 2201 А.

Одиночные гибридные конденсаторы Hy-Cap P-EDLC семейства VHC. Представители семейства имеют номинальное напряжение 2,3 В. Главным достоинством этих накопителей является высокая удельная емкость, которая у отдельных представителей достигает 800 Ф при достаточно скромных габаритах 35×70 мм. По сравнению с Hy-Cap EDLC гибридные конденсаторы имеют невысокие выходные токи до 12,5 А.

Сдвоенные суперконденсаторы Hy-Cap EDLC семейства VEC представляют собой пару последовательно соединенных суперконденсаторов EDLC, поэтому они имеют удвоенное номинальное напряжение 4,0/5,4/6,0 В.

Сборки суперконденсаторов Hy-Cap EDLC семейства VEM представляют собой сборные стандартные модули с выходными напряжениями 16/48 В, высокой емкостью и высоким выходным током до 2000 А.

Здесь еще раз стоит отметить, что компания VINATech готова производить модули по техническим требованиям заказчика. При этом пользователь получает сборку из суперконденсаторов, балансировка которых выполняется по запатентованной технологии VINATech.

Роль суперконденсаторов или гибридных конденсаторов в системе питания зависит от конкретного приложения. Богатая номенклатура накопителей от VINATech позволяет найти наиболее подходящий элемент для каждого конкретного устройства.

Особенности применения суперконденсаторов

Суперконденсатор может использоваться в системе питания:

  • как основной элемент питания;
  • как резервный элемент питания;
  • как буферный компонент совместно с аккумулятором или батарейкой.

Суперконденсатор как основной элемент питания. В последнее время суперконденсаторы и гибридные конденсаторы все чаще рассматриваются в качестве основных элементов питания в целом ряде приложений. Этому способствуют:

  • распространение харвестеров энергии, например харвестеров вибрации, термогенераторов, солнечных батарей и так далее;
  • развитие беспроводных систем передачи мощности, в том числе RFID (радиомаяки);
  • создание сверхнизкопотребляющих микросхем;
  • развитие самих суперконденсаторов, в частности – увеличение удельной емкости.

В результате современная элементная база позволяет создавать малопотребляющие устройства, которые могут обойтись и без аккумулятора. Примерами таких устройств становятся автономные датчики, в том числе – и с поддержкой Bluetooth Low Energy [3]. Не стоит забывать, что суперконденсаторы, в отличие от химических элементов тока, могут работать и при отрицательных температурах, что также важно для автономных датчиков.

Тем не менее, широкому использованию суперконденсаторов в качестве основного элемента питания мешает высокий саморазряд и невысокая емкость.

Суперконденсатор как резервный элемент питания. В целом ряде приложений требуется резервный или дежурный источник питания. Резервирование необходимо, например, в системах сигнализации и аварийного освещения, черных ящиках автомобилей и так далее. В качестве дежурного источника суперконденсатор часто применяется в малопотребляющих системах, где он используется во время сна, например, для питания дежурного таймера.

Суперконденсатор как буферный элемент. В данном режиме суперконденсатор работает параллельно с аккумулятором и выступает в роли буферного источника питания.

Преимущества такого режима работы вытекают из сравнения характеристик аккумуляторов и суперконденсаторов (таблица 4). Аккумуляторы отличаются огромной емкостью, но сильно ограничены по величине выходного тока из-за высокого внутреннего сопротивления. Суперконденсаторы хотя и не могут похвастаться большой емкостью, зато могут обеспечивать огромный нагрузочный ток. Таким образом, суперконденсатор и аккумулятор идеально дополняют друг друга.

Таблица 4. Сравнение суперконденсаторов и аккумуляторов

Параметр Суперконденсаторы Аккумуляторы
Механизм накопления Электростатическое накопление заряда Химическое взаимодействие
Удельная емкость, Вт·ч/кг 3…5 20…150
Удельная мощность, кВт/кг 2…3 0,05…0,3
Время заряда Быстрое 1…30 с 0,3…3 часа
Срок службы более 500,000 циклов заряда-разряда, 10..50 лет 500…2000 циклов заряда-разряда, 10..50 лет
Эффективность заряда-разряда, % 90…95 70…85
Диапазон рабочих температур, °С -40…70 -20…70

Очевидно, что совместное использование аккумуляторов и ионисторов во всех приложениях без разбора будет как минимум неоправданно экономически, а также негативно скажется на габаритах устройства. По этой причине такой режим чаще всего используется в четырех основных случаях [4].

  • Когда аккумулятор не способен обеспечивать протекание импульсных токов, хотя имеет достаточную емкость. В качестве примера можно привести работу мощной светодиодной вспышки фотоаппарата [5]. В обычном режиме потребление самого фотоаппарата оказывается достаточно скромным (сотни мА), однако в момент срабатывания вспышки источник питания должен обеспечить протекание значительного импульсного тока в единицы А (рисунок 5). Аккумулятор не всегда может справиться с этой задачей. Зато проблема просто решается за счет суперконденсатора, который заряжается в периоды «затишья» и разряжается при активации вспышки, снимая большую часть нагрузки с аккумулятора.
Рис. 5. Импульсный характер потребления современных устройств

Рис. 5. Импульсный характер потребления современных устройств

  • Когда аккумулятор способен выдерживать импульсные нагрузки, но наблюдаемая при этом просадка напряжения оказывается недопустимой. Примером являются мобильные устройства, в частности – GPRS-приемопередатчики [4, 6]. Приемопередатчики GPRS класса 10 имеют ток покоя около 100 мА, а во время передачи потребление возрастает до 2 А (в 20 раз). Такие импульсы тока приводят к возникновению различных проблем. В частности, на выводах аккумулятора наблюдается значительная просадка напряжения – ниже допустимого значения. В результате мобильное устройство в момент слота передачи выключается, притом, что аккумулятор может быть разряженным всего лишь наполовину.

Если в таких случаях параллельно с нагрузкой поместить суперконденсатор, то он позволит сгладить импульсы напряжения, обеспечив основную часть импульса тока. В результате со стороны нагрузки будут наблюдаться небольшие колебания вблизи реального уровня напряжения аккумулятора и выключение устройства произойдет при более полном разряде элемента питания. Таким образом, формально можно считать, что в рамках таких приложений суперконденсатор продлевает время работы аккумулятора.

  • Когда требуется рекуперация энергии. Суперконденсаторы могут не только быстро отдавать накопленную энергию, но и быстро ее запасать. Это свойство используется в системах рекуперации, в частности, в электромобилях и автомобилях с гибридными силовыми установками. Несмотря на то, что в автомобиле присутствует собственный аккумулятор, его невозможно эффективно использовать для запасания огромной энергии, выделяемой, например, при торможениях. А вот суперконденсаторы для этого подходят как нельзя лучше. Они запасают энергию во время торможений или скатывания с горки и отдают ее при первом удачном случае.

Ярким примером такого использования суперконденсаторов являются болиды Формулы 1. На них применяются системы рекуперации энергии KERS. О важности и эффективности этой системы говорит тот факт, что без надежной работы KERS болиды автоматически попадают в ранг аутсайдеров.

  • Для расширения температурного диапазона. Нагрузочная способность аккумуляторов резко уменьшается при опускании температуры ниже нуля, а просадки напряжения от протекания токов возрастают. Использование суперконденсаторов позволяет выполнять запуск устройств даже при пониженных температурах. Таким образом, суперконденсаторы как бы расширяют рабочий температурный диапазон для аккумуляторов.

Стоит отметить, что в большинстве рассмотренных случаев одиночные ячейки суперконденсаторов нельзя подключать к аккумулятору напрямую. Это связано с несовпадением уровней напряжения и необходимостью ограничения тока заряда. По этой причине используются ограничители тока и последовательное или параллельно-последовательное включение ионисторов. Если принято решение о последовательном включении, то не стоит забывать о важности балансировки ячеек, в частности, необходимо позаботится о выравнивании напряжений. Если требуются многоячеечные модули, лучше сразу обриться к VINATech.

Важно напомнить, что Hy-Cap EDLC производства VINATech стали первыми ионисторами с номинальным напряжением 3,0 В. Это позволяет напрямую подключать их к литий-диоксидмарганцевым батарейкам.

Примеры использования суперконденсаторов

Рассмотрим некоторые примеры использования суперконденсаторов [1].

Дежурное питание в электронных приборах. Большая часть современных электронных устройств использует режимы пониженного потребления. В режиме глубокого сна практически все цифровые и аналоговые микросхемы отключаются, а активным остается только дежурный таймер, который периодически пробуждает систему. Потребление при этом оказывается на уровне единиц и десятков микроампер. Если для питания таймера использовать суперконденсатор – можно дополнительно сократить потребление за счет отключения основной системы питания.

Радиопередающие устройстваGPS/GPRS (навигаторы, трекеры, мобильные телефоны и так далее). В таких приложениях наличие буферного суперконденсатора позволяет увеличить срок службы аккумуляторов и расширить диапазон рабочих температур устройства.

Счетчики энергии. Большинство современных счетчиков представляет собой достаточно сложные электронные устройства, зачастую – со встроенными интеллектуальными функциями и радиоинтерфейсом. При отключении внешнего питания счетчик должен успевать сохранять измеренные значения, для этого необходимо предусмотреть внутренний источник резервного питания, например, суперконденсатор EDLC. С одной стороны, он способен обеспечивать необходимую нагрузку в течение долгого времени, а с другой – не нуждается в обслуживании, и пользователю не требуется думать о смене батарейки.

Источники бесперебойного питания. ИБП используются для резервного питания устройств при отключении электричества. При этом активируется встроенный накопитель энергии, в качестве которого может выступать батарея из мощных суперконденсаторов.

Аварийное освещение. Во время отключения электричества в общественных местах необходимо обеспечить питание аварийного освещения. При этом потребляемая мощность оказывается не очень высокой благодаря использованию современных светодиодов. Суперконденсаторы подходят для таких приложений, так как имеют достаточную емкость и не требуют обслуживания.

Солнечные электростанции башенного типа. Такие электростанции состоят из двух основных элементов: башни с водяным бойлером и гелиостата. Гелиостат – набор из подвижных зеркал, которые отражают солнечные лучи в башню. Чтобы следить за перемещением солнца, зеркала должны поворачиваться. Для питания электроприводов удобно использовать суперконденсаторы, так как они отличаются высокой рабочей температурой и не требуют обслуживания.

Твердотельные жесткие диски. В данном случае суперконденсаторы могут использоваться в качестве резервного источника питания.

Электромобили и автомобили с гибридными силовыми установками. Как уже рассказывалось выше, для создания системы рекуперации энергии суперконденсаторы являются идеальным решением, так как способны быстро отдавать и запасать энергию.

Автомобильные «черные ящики». Изначально такие блоки были предназначены для активации подушек безопасности при авариях. Однако сейчас эти модули дополнительно выполняют сбор различных данных: скорость, состояние педалей, время, местоположение и так далее. Очевидно, что после аварии нет гарантий, что электросистема автомобиля не будет повреждена. По этой причине «черный ящик» должен иметь дежурный источник, который будет питать модуль хотя бы в течение 10…15 с после аварии. В данном случае суперконденсаторы окажутся более предпочтительным вариантом по сравнению с аккумуляторами, так как для автомобильных приложений важен широкий диапазон рабочих температур. Кроме того, «черный ящик» должен быть необслуживаемым блоком, а при использовании аккумуляторов это затруднительно.

Мультимедийные аудиосистемы. При старте двигателя из-за высокого пускового тока наблюдается резкая просадка напряжения бортовой системы, а при коммутации индуктивных нагрузок, например, катушек реле, могут появляться значительные перенапряжения. Электронные блоки автомобиля должны выдерживать эти колебания. Для этого могут использоваться суперконденсаторы EDLC требуемой мощности.

Элеваторы и лифты. В данном случае суперконденсаторы выполняют двоякую роль. Во-первых, они используются для рекуперации энергии. Когда лифт движется вниз – энергия запасается в ионисторе. Когда же лифт движется вверх – ионистор отдает накопленную мощность. Во-вторых, современные лифты часто снабжаются системой аварийного открывания дверей, которая требует резервного источника питания при отсутствии электричества. Как правило, это чрезвычайно важная функция с точки зрения пожарной безопасности, так как при пожаре в первую очередь необходимо обесточить здание. Конечно, в данном случае для работы от суперконденсатора потребуется инвертор.

Системы запуска двигателей и дизель-генераторов. При запуске дизель-генератора стартовый ток оказывается значительным, и аккумулятор не всегда может его обеспечить. Мощные суперконденсаторы семейств VEM решают эту проблему.

Ветрогенераторы. В случае возникновения аварийной ситуации требуется разворот лопастей, для этого необходим собственный резервный источник питания, не нуждающийся в обслуживании. Очевидно, что суперконденсаторы будут идеальным решением этой проблемы.

Железнодорожный транспорт и метро. При отсутствии контактного напряжения электровоз может получать энергию от собственного дежурного источника питания, например, от батареи суперконденсаторов (с инвертором), мощности которой хватит для кратковременных отключений длительностью 1…2 с.

Это лишь небольшая часть примеров использования суперконденсаторов. Есть и множество других, в том числе – промышленные роботы, игрушки, системы питания электромагнитных клапанов, актуаторов и так далее.

Некоторые расчетные соотношения

При работе с суперконденсаторами часто возникают вопросы. Рассмотрим наиболее распространенные из них.

Как оценить емкость суперконенсатора в Вт∙ч? В документации емкость суперконденсаторов обычно приводится в Фарадах, а емкость аккумуляторов в Ватт-часах. Этот факт иногда приводит потребителей в недоумение. Чтобы оценить емкость ультраконденсатора в более привычных единицах, следует воспользоваться двумя формулами:

Сначала рассчитать суммарную энергию в джоулях:

$$E(Дж)=\frac{1}{2}\times C(Ф)\times U^{2}(В)\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

После чего определить емкость в Ватт-часах:

$$E(Вт\cdot час)=\frac{E(Дж)}{3600(с)}\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

Как оценить падение напряжения суперконденсатора при разряде? Для точной оценки падения напряжения при разряде суперконденсатора необходимо учитывать сам разряд, просадку напряжения на внутреннем сопротивлении суперконденсатора, вклад основного источника питания в общий ток, характер нагрузки. При этом расчетная формула окажется достаточно сложной. Впрочем, очень часто для грубых расчетов хватает упрощенной формулы:

$$\Delta V(I_{имп})=I_{имп}\times \frac{T_{имп}}{C}+I_{имп}\times ESR\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$

Здесь Iимп – амплитуда импульсного тока (А), Tимп – длительность импульса (с), C – емкость (Ф), ESR – последовательное сопротивление (Ом). Данная формула предполагает активный характер нагрузки (линейный разряд) и отсутствие внешнего источника (суперконденсатор единолично питает нагрузку).

Рассмотрим пример работы суперконденсатора VEC3R0105QG с импульсной нагрузкой 1 с/500 мА. Емкость VEC3R0105QG составляет 1 Ф, номинальное напряжение 3,0 В, ESR 220 мОм, пиковый ток до 1 А. В таком случае примерная просадка напряжения составит:

$$\Delta V(0.1\hspace{0.25em}А)=0.5\hspace{0.25em}А\times \frac{1\hspace{0.25em}с}{1\hspace{0.25em}Ф}+0.5\hspace{0.25em}А\times 0.22\hspace{0.25em}Ом=0.61\hspace{0.25em}{В}$$

То есть, если на момент начала разряда суперконденсатор был заряжен до номинала 3,0 В, то в конце разряда напряжение на нем составит около 2,39 В.

Стоит отметить, что чаще приходится решать обратную задачу и выбирать суперконденсатор для конкретного приложения. В таком случае исходными данными к расчету будут параметры импульса (Iимп и Tимп) и допустимый диапазон рабочих напряжений нагрузки.

Допустим, требуется обеспечить питание вспышки фотоаппарата с номинальным напряжением 3,0 В и минимально допустимым напряжением 2,5 В. Параметры импульса 4 А/0,16 мс. Если использовать формулу (3) и дополнительно пренебречь собственным сопротивлением суперконденсатора, получим:

$$C(Ф)=I_{имп}\times \frac{T_{имп}}{\Delta V}=4\hspace{0.25em}А\times \frac{0.16\hspace{0.25em}с}{0.5\hspace{0.25em}В}=1.28\hspace{0.25em}{Ф}$$

Выбираем с запасом VEC3R0505QD емкостью 5 Ф и сопротивлением 70 мОм, и выполняем обратную проверку по формуле (3):

$$\Delta V(4\hspace{0.25em}А)=4\hspace{0.25em}А\times \frac{0.16\hspace{0.25em}с}{5\hspace{0.25em}Ф}+4\hspace{0.25em}А\times 0.07\hspace{0.25em}Ом=0.408\hspace{0.25em}{В}$$

Таким образом, если суперконденсатор изначально был заряжен до 3,0 В, то к концу разряда напряжение упадет до 2,6 В, что очень близко к минимально допустимому значению.

Заключение

Недавно компания VINATech, один из мировых лидеров в производстве суперконденсаторов, вышла на российский рынок. Теперь продукция компании, в том числе и уникальные суперконденсаторы с номинальным напряжением 3,0 В, доступна и отечественным разработчикам. Увеличение рейтинга напряжения позволяет добиваться увеличения срока службы и расширения температурного диапазона этих суперконденсаторов по сравнению с традиционными ионисторами 2,7 В.

VINATech выпускает широкую номенклатуру одиночных суперконденсаторов Hy-Cap EDLC, одиночных гибридных конденсаторов Hy-Cap P-EDLC, а также сборок из суперконденсаторов EDLC под наименованием Hy-Cap.

Накопители от VINATech имеют широкий спектр приложений – от радиопередающих устройств и автономных датчиков до электромобилей и лифтов.

Литература

  1. Next-generation Energy Storage Devices with Low Resistance and Great Reliability, LS Ultracapacitor, 2015
  2. https://www.vina.co.kr
  3. Julia Leem, Jean Mars. Using a supercapacitor for power management and energy storage with a small solar cell, Part 1
  4. Use of Supercapacitors to Improve Performance of GPRS Mobile CAP-XX, 2003
  5. Using Supercapacitors to Solve LED Flash Power Issues for High Resolution Camera Phones. CAP-XX, 2003
  6. Optimal Power Supply for 2G, 3G and 4G Applications. Sierra Wireless, 2013
Наличие на складах
Наименование Наличие Цена
VEC3R0 335QG (VINATECH) 84 2.6973 $ 162.72 руб. от 1 шт
VEC3R0505QG (VINATECH) 81 3.7400 $ 225.63 руб. от 1 шт
VEC2R7 256QG (VINATECH) 0
VEC2R7105QG (VINATECH) 0
VEC5R4504QG-H (VINATECH) 0
VEC5R4504QG-O (VINATECH) 0
VEC3R0105QG (VINATECH) 0