Najnowsze topologie ładowarek

Ładowarka superkondensatorów

Dzięki ich wyjątkowym zaletom w porównaniu z akumulatorami, superkondensatory znajdują coraz częstsze zastosowanie w różnych aplikacjach. Superkondensatory działają według praw elektrostatyki bez reakcji chemicznych, co pozwala uniknąć problemów z żywotnością, związanych z przechowywaniem akumulatorów. Ich długa, sięgająca 20 lat żywotność i wysoka trwałość pozwala na miliony cykli ładowania/rozładowania - jest to o jeden rząd wielkości więcej, niż w przypadku akumulatorów. Ich niska impedancja umożliwia szybkie ładowanie i rozładowanie w ciągu kilku sekund. To, w połączeniu z ich umiarkowaną zdolnością do utrzymywania ładunku przez długi czas sprawia, że ​​superkondensatory są idealne do zastosowań wymagających krótkich cykli ładowania i rozładowania. Są również używane równolegle z akumulatorami w aplikacjach, w których konieczne są chwilowe, zwiększone dostawy energii podczas zmian obciążenia.

Krótkie cykle ładowania i rozładowania superkondensatorów wymagają użycia ładowarek obsługujących wysokie prądy i gwarantujących płynną pracę w trybie CC podczas ładowania. Ładowanie to może rozpocząć się od napięcia 0 V, być kontynuowane przy stałym napięciu (CV) aż do osiągnięcia końcowej wartości na wyjściu. W zastosowaniach wysokonapięciowych wiele superkondensatorów jest połączonych szeregowo, co wymaga ładowarek zarządzających wysokim napięciem wejściowym i wyjściowym.

MAX17701 (Rysunek 7) to wydajny, synchroniczny kontroler ładowarki superkondensatorów, pracujący w topologii buck, zaprojektowany do ładowania wysokim prądem, pracujący w zakresie napięcia wejściowego (VDCIN) od 4,5 V do 60 V. Napięcie wyjściowe jest regulowane od 1,25 V do VDCIN pomniejszonego o 4 V. Urządzenie wykorzystuje zewnętrzny tranzystor N-MOSFET, aby zapewnić funkcję przeciwzwarciową po stronie zasilania, zapobiegając rozładowaniu superkondensatora z powrotem do wejścia. Rysunek 8 ilustruje uproszczony, wysokoprądowy układ ładowania.

Rysunek 7. Ładowarka superkondensatorów o wysokim napięciu i prądzie.

Akumulatory kwasowo-ołowiowe, litowe i superkondensatory to urządzenia do magazynowania energii, które mają bardzo specyficzną  charakterystykę ładowania i rozładowania i wymagają dedykowanej ładowarki, jako optymalne rozwiązanie. Zaawansowana ładowarka zapewnia również odpowiednie zabezpieczenia, aby zagwarantować wydajną i trwałą pracę akumulatora, zwłaszcza podczas ładowania w niesprzyjających warunkach. Takie zabezpieczenia są również zalecane w nowych rozwiązaniach.

Rysunek 8. Wykres ładowania superkondensatora - MAX17701.

Wnioski

Wykorzystanie akumulatorowych magazynów energii i urządzeń przenośnych stale rośnie. Zapotrzebowanie na większą moc, wraz z dłuższym czasem pracy, dyktuje wzrost napięć stosowanych w pakietach. Aplikacje w systemach przemysłowych wykorzystujące zasilacz 24 VDC mogą być narażone na 60-woltowe piki napięciowe w warunkach przejściowych. Starsze rozwiązania ładowarek są w większości ograniczone do napięcia wejściowego 28 V. Dzięki wysokonapięciowej, synchronicznej topologii buck, nowsze rozwiązania od firmy Analog Devices umożliwiają wyższe napięcie pakietu akumulatorów i wyższą wydajność ładowania,.

Bibliografia

1. Kevin Anderson. ‘Power IC Market Tracker – 2019’, OMDIA, wrzesień 2020 r.

2. ‘Advancements in Lead Acid’ Battery University, July 2016.

3. US 31DC XC2 - Data Sheet. U.S. Battery, 2019.

O autorze

Anthony T. Huynh (aka Thong Anthony Huynh) był głównym członkiem personelu technicznego (MTS) ds. aplikacji w firmie Maxim Integrated (obecnie część Analog Devices). Ma ponad 20-letnie doświadczenie w projektowaniu i definiowaniu izolowanych i nieizolowanych zasilaczy impulsowych oraz produktów do zarządzania energią. W ADI opracowywał ponad 100 produktów do zarządzania energią, w tym przetwornice DC-DC, kontrolery Hot Swap, Power over Ethernet i wiele innych układów scalonych do ochrony systemu, stosowanych obecnie przez wiodących światowych producentów.

Anthony posiada cztery patenty w USA w energoelektronice, napisał kilka artykułów i not aplikacyjnych w tej dziedzinie. Otrzymał licencjat z elektrotechniki na Uniwersytecie Stanowym w Oregonie, ukończył wszystkie zajęcia uzyskując tytuł magistra elektrotechniki na Uniwersytecie Stanowym w Portland, gdzie uczył również energoelektroniki jako wykładowca.

Artykuł opublikowano dzięki uprzejmości firmy Analog Devices