Superkondensatory kontra baterie

Zapotrzebowanie na niezawodne rozwiązania magazynowania energii wzrosło dramatycznie wraz z rozwojem Internetu rzeczy (IoT), przemysłowego Internetu rzeczy (IIoT), przenośnej elektroniki i większych zastosowań, takich jak zakłady przemysłowe i ośrodki przetwarzania danych. Baterie zapewniają bezpośrednie zasilanie dla mniejszych urządzeń, natomiast w większych zastosowaniach baterie są często używane jako zasilanie rezerwowe, na wypadek zaniku zasilania głównego.

Niewielkie urządzenia często wykorzystują baterie litowo-jonowe (Li-ion) lub baterie alkaliczne pastylkowe, aby osiągnąć niewielkie rozmiary i minimalne wymagania konserwacyjne. Ogniwa litowo-jonowe wymagają zwrócenia szczególnej uwagi na limity cykli ładowania i bezpieczeństwo. Baterie używane jako podtrzymujące mogą się szybko zużywać w wyniku szybkiego ładowania i wymagają wymiany. Baterie te wymagają również złożonych systemów zarządzania bateriami i nadal mogą powodować niekontrolowany wzrost temperatury, co prowadzi do problemów z bezpieczeństwem.

Elektrochemiczne kondensatory dwuwarstwowe (EDLC), czyli superkondensatory, stanowią technologię komplementarną dla baterii. O ile baterie mogą dostarczać energię przez stosunkowo długi czas, superkondensatory mogą szybko dostarczać energię przez krótki czas. Superkondensatory są również przyjazne dla środowiska, nie podlegają niekontrolowanemu wzrostowi temperatury i mogą działać niezawodnie nawet przez 20 lat. Mogą być używane jako jedyna metoda magazynowania energii, w połączeniu z bateriami lub jako urządzenie hybrydowe w celu optymalizacji zasilania.

W niniejszym artykule pokrótce opisano superkondensatory i baterie. Następnie omówiono niektóre typowe ich zastosowania, zarówno w trybie autonomicznym, jak i w połączeniu z bateriami. W celach ilustracyjnych zostały użyte superkondensatory firmy Eaton.

Różnice pomiędzy superkondensatorami i bateriami

Superkondensator jest urządzeniem magazynującym energię, charakteryzującym się niezwykle wysoką pojemnością właściwą w porównaniu z elektrochemicznymi urządzeniami magazynującymi, takimi jak baterie. Baterie i superkondensatory pełnią podobne funkcje w zakresie zasilania, ale działają inaczej. Superkondensator działa jak klasyczny kondensator, ponieważ charakterystyka rozładowania dla stałego prądu rozładowania wykazuje liniowy spadek napięcia. W przeciwieństwie do baterii, energia magazynowana w superkondensatorze ma charakter elektrostatyczny, więc w urządzeniu nie zachodzą żadne zmiany chemiczne, a operacje ładowania i rozładowania są prawie całkowicie odwracalne. Oznacza to, że może tolerować większą liczbę cykli ładowania-rozładowania.

Baterie magazynują energię metodą elektrochemiczną. Charakterystyka rozładowania baterii litowo-jonowych jest płaska, wykazują prawie stałą wartość napięcia, aż do niemal całkowitego rozładowania baterii. Ze względu na degradację mechanizmów chemicznych, liczba cykli ładowania-rozładowania w baterii litowo-jonowej jest ograniczona. Na zmniejszenie pojemności baterii wpływają takie czynniki, jak temperatura, napięcie ładowania i głębokość rozładowania.

Baterie litowo-jonowe są narażone na niekontrolowany wzrost temperatury, samozapłon, a nawet wybuch. Wytwarzanie ciepła jest nieuniknione z powodu reakcji chemicznych podczas ładowania i rozładowania, spowodowanych ogrzewaniem rezystancyjnym. Z tego powodu baterie wymagają monitorowania temperatury w celu zapewnienia bezpieczeństwa użytkownika.

Porównanie specyfikacji superkondensatorów i baterii litowo-jonowych

Baterie zapewniają wysoką gęstość energii. Superkondensatory mają mniejszą gęstość energii niż baterie, ale wysoką gęstość mocy, ponieważ mogą być rozładowane niemal natychmiast. Procesy elektrochemiczne w baterii wymagają więcej czasu na dostarczenie energii do odbiornika. Obydwa urządzenia posiadają funkcje dopasowane do konkretnych potrzeb w zakresie magazynowania energii (ilustracja 1).

Ilustracja 1: porównanie cech superkondensatorów i baterii litowo-jonowych. (Źródło ilustracji: Eaton)

Największą różnicę między omawianymi urządzeniami widać podczas porównywania gęstości energii wyrażonej w watogodzinach na litr (Wh/l) i gęstości mocy wyrażonej w watach na litr (W/l). Wpływa to również na czasy rozładowania. Superkondensatory są przeznaczone do dostarczania energii w krótkich okresach (stany nieustalone), podczas gdy baterie radzą sobie z długotrwałymi zdarzeniami. Rozładowanie superkondensatora trwa kilka sekund lub minut, podczas gdy bateria może dostarczać energię przez wiele godzin. Ta cecha wpływa na ich zastosowanie.

Superkondensatory obsługują szerszy zakres temperatur roboczych niż baterie. Ich niemal bezstratne procesy elektrostatyczne również przyczyniają się do ich większej sprawności i wyższych szybkości ładowania.

Przykłady superkondensatorów

Firma Eaton oferuje pełną gamę niezawodnych superkondensatorów do zastosowań związanych z magazynowaniem energii wymagających wysokiej gęstości mocy i szybkiego ładowania. Fizyczna obudowa superkondensatorów jest taka sama jak baterii, zwłaszcza ogniw pastylkowych. Są one również dostępne w obudowach konwencjonalnych kondensatorów cylindrycznych (ilustracja 2).

Na ilustracji 2 (po lewej) przedstawiono superkondensator TV1030-3R0106-R firmy Eaton o pojemności 10F i maksymalnym napięciu roboczym 3V. Jest on umieszczony w cylindrycznej puszce z odprowadzeniami promieniowymi. Puszka ma średnicę 10,5mm (0,413in.) i wysokości 31,5mm (1,24in.). Posiada zakres temperatur roboczych od -25°C do +65°C i rozszerzony zakres roboczy od -25°C do +85°C po obniżeniu napięcia do 2,5V lub poniżej tej wartości. Może magazynować 12,5mW/h energii i osiągać moc szczytową 86,5W. Jego żywotność wynosi 500 tysięcy cykli ładowania i rozładowania.

Superkondensatory mogą zastąpić baterie pastylkowe w wielu zastosowaniach, takich jak zasilanie rezerwowe pamięci. Na ilustracji 2 (po prawej) przedstawiono superkondensator KVR-5R0C155-R firmy Eaton o pojemności 1,5F i maksymalnym napięciu roboczym 5V. Wymiary jego obudowy są zbliżone do wymiarów obudów ogniw pastylkowych 20mm. Moc szczytowa wynosi 0,208W. Zakres temperatur roboczych od -25°C do +70°C. Żywotność to również 500 tysięcy cykli ładowania i rozładowania.

Zwiększanie gęstości energii superkondensatora

Energia zmagazynowana w superkondensatorze jest proporcjonalna do jego pojemności i kwadratu napięcia, którym jest ładowany. Zatem gęstość energii można zwiększyć poprzez zwiększenie liczby ogniw, łącząc je równolegle. Wyższą gęstość energii można osiągnąć, tworząc moduły superkondensatorów o dużej pojemności i wyższych napięciach roboczych (ilustracja 3).

Superkondensator PHVL-3R9H474-R firmy Eaton (ilustracja 3, po lewej), to urządzenie o pojemności 470mF, napięciu 3,9V, posiadające dwa ogniwa. Charakteryzuje się bardzo niską efektywną rezystancją szeregową (ESR) wynoszącą 0,4Ω, co zmniejsza straty przewodzenia, a jego moc szczytowa wynosi 9,5W. Posiada zakres temperatur roboczych od -40°C do +65°C. Podobnie jak omawiane wcześniej superkondensatory, jego żywotność to 500 tysięcy cykli ładowania/rozładowania. Fizyczna obudowa ma wysokość 14,5mm (0,571in.), długość 17,3mm (0,681in.) i szerokość 9mm (0,354in.).

Modułowe obudowy superkondensatorów mogą dostarczać znaczne ilości energii rezerwowej. Urządzenie XLR-16R2507B-R (ilustracja 3, po prawej) firmy Eaton ma pojemność 500F i działa przy maksymalnym napięciu 16,2V. Moduł ten posiada efektywną rezystancję szeregową (ESR) równą 1,7mΩ, a jego moc szczytowa wynosi 38,6kW. Zakres temperatur roboczych wynosi od -40°C do +65°C (temperatura ogniwa). Obudowa ma wysokość 177mm (6,97 cala), długość 417mm (16,417 cala) i szerokość 68mm (2,677 cala).

Superkondensatory hybrydowe

Dążenie do połączenia cech superkondensatorów i baterii litowo-jonowych zaowocowały opracowaniem superkondensatora hybrydowego zwanego kondensatorem litowo-jonowym (LiC). Zwiększa to gęstość energii superkondensatora, oferując jednocześnie krótszy czas reakcji niż w przypadku baterii. Kondensator litowo-jonowy (LiC) ma asymetryczną strukturę wykorzystującą anodę grafitową z domieszką litu i katodę z węgla aktywowanego (ilustracja 4).

Ilustracja 4: superkondensator hybrydowy przybiera cechy superkondensatora i baterii litowo-jonowej. W porównaniu z baterią charakteryzuje się większą liczbą cykli ładowania-rozładowania i wyższymi szybkościami rozładowania. (Źródło ilustracji: Eaton)

Konstrukcja superkondensatora hybrydowego łączy w sobie elektrochemiczny charakter baterii litowej z właściwościami elektrostatycznymi superkondensatora, oferując projektantom zauważalne korzyści. W kondensatorze litowo-jonowym (LiC) ruch ładunku jest procesem elektrochemicznym, ale odbywa się na mniejszej głębokości niż w baterii, co skutkuje zwiększoną liczbą cykli ładowania-rozładowania i wyższymi szybkościami rozładowania. Uzyskany w ten sposób profil rozładowania jest bardzo podobny do profilu superkondensatora.

Na przykład HS1016-3R8306-R to superkondensator hybrydowy 30F, 3,8V zamknięty w cylindrycznej obudowie z wyprowadzeniami promieniowymi. Charakteryzuje się efektywną rezystancją szeregową 0,55Ω oraz mocą szczytową 6,6W. Posiada zakres temperatur roboczych od -15°C do +70°C i rozszerzony zakres roboczy od -15°C do +85°C po obniżeniu napięcia do 3,5V lub poniżej tej wartości. Jego znamionowy okres użytkowania przy napięciu znamionowym i maksymalnej temperaturze roboczej wynosi 1000 godzin. Obudowa ma 18mm (0,709in.) wysokości i 10,5mm (0,413in.) średnicy. Podobnie jak superkondensator, jego żywotność wynosi 500 tysięcy cykli ładowania-rozładowania.

Wykresy gęstości energii i mocy

Rozkłady gęstości energii i mocy w urządzeniach magazynowania energii dają znaczny wgląd w ich przydatność i efektywny czas pracy (ilustracja 5).

Ilustracja 5: wykres krzyżowy gęstości energii w funkcji gęstości mocy dla urządzeń bateryjnych i superkondensatorowych zapewnia wgląd w czas ich pracy. (Źródło ilustracji: Eaton)

Wykres przedstawia gęstość energii w funkcji gęstości mocy. Stosunek tych parametrów daje czas, który również jest przedstawiony na wykresie. W lewym górnym rogu znajdują się urządzenia o wysokiej gęstości energii, ale niskiej gęstości mocy. Należą do nich ogniwa paliwowe i baterie. Urządzenia o dużej gęstości mocy, ale niskiej gęstości energii, takie jak tradycyjne kondensatory i superkondensatory, znajdują się w prawym dolnym rogu. Superkondensatory hybrydowe mieszczą się między tymi dwiema grupami. Należy zwrócić uwagę na poszczególne skale czasowe. Superkondensatory działają przez kilka sekund, kondensatory hybrydowe przez kilka minut, a baterie przez godziny lub dłużej.

Zastosowania magazynowania energii

Urządzenia magazynujące energię dostarczają energię w przypadku utraty zasilania głównego. Dobrym przykładem jest zasilanie rezerwowe pamięci komputera. Wcześniej stosowano baterie, ale obecnie w tym przypadku zastosowanie znajdują superkondensatory ze względu na znacznie większą liczbę cykli ładowania-rozładowania. Ponadto, w przypadku superkondensatorów nie ma potrzeby wymiany baterii po roku pracy.

Superkondensatory są również stosowane w projektach Internetu rzeczy (IoT) i przemysłowego Internetu rzeczy (IIoT), które opierają się na pozyskiwaniu energii z otoczenia. Znajdują one podobne zastosowania w pojazdach, gdzie magazynują energię odzyskaną podczas hamowania.

Superkondensatory zapewniają wysoką moc przez krótki czas. Można je stosować do utrzymania ciągłości zasilania w instalacjach o znaczeniu krytycznym, gdy istnieje potrzeba podtrzymania zasilania zanim zacznie działać generator awaryjny, co trwa około dziesięciu sekund. Superkondensator ładuje się mniej więcej w tym samym czasie, co jest używany i może szybko powrócić do działania po utracie zasilania.

Podsumowanie

W większości zastosowań wymagających magazynowania energii, superkondensatory stanowią rozwiązanie komplementarne w stosunku do baterii. Wyższe, dostępne natychmiast poziomy mocy i krótkie czasy ładowania sprawiają, że idealnie sprawdzają się w krótkoterminowym wspomaganiu zasilania. Duża liczba cykli ładowania-rozładowania bez pogorszenia parametrów działania zmniejsza koszty serwisowania oraz utrzymywania zapasów baterii zamiennych.

Źródło: Zrozumienie superkondensatorów i ich porównanie z bateriami

Kontakt w Polsce: poland.support@digikey.pl

Autor: Rolf Horn

Rolf Horn, Applications Engineer at DigiKey, has been in the European Technical Support group since 2014 with primary responsibility for answering any Development and Engineering related questions from final customers in EMEA, as well as writing and proof-reading German articles and blogs on DK’s TechForum and maker.io platforms. Prior to DigiKey, he worked at several manufacturers in the semiconductor area with focus on embedded FPGA, Microcontroller and Processor systems for Industrial and Automotive Applications. Rolf holds a degree in electrical and electronics engineering from the university of applied sciences in Munich, Bavaria and started his professional career at a local Electronics Products Distributor as System-Solutions Architect to share his steadily growing knowledge and expertise as Trusted Advisor.

Hobbies: spending time with family + friends, travelling in our VW-California transporter and motorbiking on a 1988 BMW GS 100.

Zapraszamy na TEK.day Gdańsk, 26 września 2024. Zapisz się już dziś!