Емкостные накопители энергии 4.2.1. Общие сведения
Емкостные накопители электрической энергии являются перспективным видом источника бортового питания электромобиля. До недавнего времени использование емкостных накопителей считалось малоперспективным и трудоемким из-за характеристики разряда. Появление емкостных накопителей с большой удельной энергоемкостью позволяет рассматривать их как перспективный накопитель энергии.
Преимуществами емкостных накопителей по сравнению с аккумуляторными батареями являются:
- • экологическая чистота;
- • способность быстро разряжаться и заряжаться;
- • не требуют ухода;
- • длительный срок;
- • большая удельная мощность.
Взаимосвязь основных параметров конденсатора описывается формулами:
С- К А ? 0; р = К Е 2 ,
где С — электрическая емкость конденсатора;
К — относительная диэлектрическая постоянная;
А — площадь пластины;
- ?0 — диэлектрическая проницаемость вакуума; б — толщина диэлектрического слоя;
- ? — энергия; и — напряжение;
Е — напряженность электрического поля; р — плотность энергии.
Исходя из вышеуказанных зависимостей роста удельной энергоемкости можно достичь увеличением емкости С или достижением предельной напряженности электрического поля Е, одновременно
оптимизируя величины — и К.
Для решения этой задачи используют два подхода:
- • создание диэлектрических молекулярных пленок с высшими значениями К и Е, что позволяет увеличить удельную энергию конденсаторов почти в 10 раз;
- • создание энергоемких конденсаторов путем оптимизации вели-
чины — (применение конденсаторов с двойным диэлектриче-б
Электростатические накопители энергии или емкостные накопители энергии большой емкости конструктивно подразделяются на два типа по используемому электролиту: щелочному и органическому. Российскими производителями ЕНЭ на щелочном электролите являются МНПО «ЭКОНД» (г. Москва) и АОЗТ «ЭЛИТ» (г. Курск). ЕНЭ на органическом электролите представлены различными фирмами, лучшими из них являются изделия фирмы Maxwell и Epcos. Разработанные и изготовленные к настоящему времени ЕНЭ имеют удельные показатели: массовой энергоемкости 5—10 Втч/кг, объемной энергоемкости 1 — 1,5 Вт ч/л, мощности 4—5 кВт/кг. Видно, что ЕНЭ не могут конкурировать с ТАБ по энергоемкости, однако их основными преимуществами по сравнению с ТАБ являются экологическая чистота, большая удельная мощность, высокая динамичность (способность быстрого заряжения), безуходность и большой срок службы.
Суперконденсатор призван побороться с традиционными аккумуляторными батареями за право поставлять энергию современным мобильным устройствам. Если раньше конденсаторы использовались только для кратковременного хранения небольшого электрического заряда, то в настоящее время так называемые «суперконденсаторы» могут хранить в сотни раз больше энергии, чем традиционные емкостные элементы, причем делать это на протяжении долгого времени без утечки заряда. Еще одним важным преимуществом суперконденсаторов по сравнению с батареями является способность быстрого разряда, в ходе которого развивается практически любая мощность, необходимая потребителю.
Приставку «супер» они получили благодаря своей емкости, которая примерно на три порядка больше, чем у обычных конденсаторов тех же габаритов. Вместе с тем суперконденсаторы остаются традиционными двухвыводными компонентами. Выпускаются они самых разнообразных форм — от малогабаритных монтируемых на поверхность приборов размером с монетку до крупногабаритных призматических или цилиндрических компонентов с винтовым креплением. Основное назначение — источники высокой импульсной энергии и дублирование основного источника питания (батареи).
В сущности, суперконденсатор не отличается от обычного электрического конденсатора, и значение его емкости рассчитывается по известной со школы формуле. Большая емкость достигнута за счет максимизации эффективной площади обкладок и уменьшения эффективного расстояния между ними до нескольких нанометров. В большинстве представленных на рынке суперконденсаторов электроды выполнены из углерода (гранулированного или порошкового).
Между ними расположен разделитель, пропитанный электролитом (водным или органическим раствором) с высокой концентрацией подвижных ионов. При контакте электрода с электролитом с двух сторон их межфазовой границы формируются слои с избыточными носителями противоположной полярности. Межфазовая граница раздела двух материалов толщиной всего несколько нанометров служит диэлектриком конденсатора. Таким образом, собственно конденсаторный элемент образуют два слоя с избыточной концентрацией носителей и граница их раздела.
Отсюда второе название суперконденсаторов — электрохимические двухслойные конденсаторы. С другой стороны разделителя формируется точно такая же структура, но с противоположной первой полярностью носителей в образующих ее слоях. Таким образом, практически один компонент объединяет два включенных последовательно конденсатора с различными значениями последовательного сопротивления.
Основные достоинства суперконденсаторов — большое значение емкости при малых габаритах, отсутствие необходимости применять специальные схемы зарядки или схемы управления процессом разрядки, дружественность окружающей среде (отсутствие вносимых загрязнений), возможность пайки выводов и благодаря этому высокая стабильность контактов (в отличие от батарей).
Для зарядки суперконденсаторов можно использовать источники постоянного тока, постоянного напряжения, включенную параллельно с конденсатором батарею, топливный элемент, преобразователь постоянного тока и т. п. В случае применения батареи для снижения зарядового тока конденсатора и продления срока жизни батареи целесообразно последовательно с конденсатором включать резистор с низким сопротивлением (при этом следует обратить внимание на то, чтобы клеммы конденсатора были присоединены к нагрузке непосредственно, а не через резистор). Максимально рекомендуемый зарядный ток I = У0/5Я, где У0 — зарядное напряжение, а Я - полное сопротивление суперконденсатора. Разогрев конденсатора из-за перегрузки по зарядному току или напряжению может привести к выделению паров электролита, сокращению жизненного цикла или даже к разрушению прибора.
Рабочее напряжение большинства суперконденсаторов равно 2,3—2,5 В. Они хорошо выдерживают кратковременные перегрузки по напряжению, но превышение рекомендуемого значения рабочего напряжения в течение длительного периода может привести к разложению электролита, а это вызывает увеличение тока утечки или разрушение корпуса. Сейчас, правда, уже выпускаются суперконденсаторы на напряжение 3 или 4 В. Но при таких значениях напряжения их параметры быстро деградируют.
Вот почему основная область применения суперконденсаторов на «высокое» напряжение — электронные игрушки, для которых короткий жизненный цикл используемых компонентов не имеет большого значения. Если же необходимо длительно работать при повышенном напряжении, то, как и в случае традиционных компонентов, приходится включать конденсаторы последовательно или параллельно/последовательно, и при этом также, как обычно, значение эффективной емкости уменьшается.
При последовательном соединении конденсаторов возникает проблема неравномерного падения напряжения отдельных компонентов и вероятность превышения допустимого значения напряжения из-за рассогласования их параметров.
Избежать этого можно путем пассивного или активного симметрирования напряжений конденсаторного блока. При пассивном методе параллельно каждому конденсатору включается резисторный делитель напряжения.
Причем значение сопротивления резисторов следует выбирать так, чтобы ток зарядки/разрядки был больше приведенного в технических условиях тока утечки и вместе с тем не вызывал сокращения срока службы батареи. При низких значениях тока утечки рекомендуется использовать резисторы с сопротивлением 470 кОм — 1,2 МОм.
При таком симметрировании напряжения матричного модуля любой конденсатор матрицы, напряжение которого превышает установленный уровень, разряжается.
Как правило, диапазон рабочих температур суперконденсаторов составляет -20—70 °С.
Превышение указанного в ТУ максимального значения температуры на 10 °С может привести к сокращению срока службы прибора в два раза, в основном из-за увеличения Е811.
Поэтому рекомендуется работать при минимально возможной температуре. Если же это не удается, целесообразно уменьшать рабочее напряжение. Например, при температуре 85 °С снижение рабочего напряжения до 1,8 В позволит компенсировать негативные эффекты, вызываемые перегревом прибора. В случае работы при низких температурах можно слегка повышать напряжение по сравнению с его значением в ТУ.
При длительной работе (и хранении) пропитка суперконденсаторов «высыхает» (как у электролитических конденсаторов). Но при правильном использовании они могут выдержать более 500 тыс. циклов зарядки/разрядки без изменения емкости, а их минимальный срок службы достигать 10 лет.
Следует также помнить, что влияние окружающей среды и условий работы на основные параметры суперконденсаторов отличается от их воздействия на характеристики обычных конденсаторов.
Сегодня активно ведутся работы по созданию суперконденсаторов, в которых средой накопления заряда служат проводящие полимеры. Молекулы таких органических веществ, подобно молекулам полупроводниковых материалов, имеют центры захвата ионов, а их механизм проводимости аналогичен электронно-дырочной проводимости полупроводников.
Благодаря тому, что ионы накапливаются в объеме полимера, а не на поверхности проводящего электролита, емкость таких конденсаторов значительно выше, чем «обычных» суперконденсаторов. Изучается возможность сочетания полимеров с материалами, формирующими суперконденсатор, например, полипропилена с углеродными нанотрубками.
Правда, пока самый большой заряд был накоплен в «чисто» полимерной системе.
Современные энергоемкие электрические и электронные системы выдвигают жесткие требования к источникам питания. Разнообразное оборудование — от цифровых камер и портативных электронных устройств до электрических трансмиссий «гибридных» автобусов, грузовиков и легковых автомобилей — нуждается как в аккумулировании, так и в подаче необходимой энергии.
Современный разработчик может решить эту задачу двумя способами: использовать аккумулятор (или источник питания), способный обеспечить большой импульс тока, или присоединить параллельно менее мощной батарее суперконденсатор («гибридное» решение). Во втором случае назначение суперконденсатора — «страховка» основного источника питания (как правило, батареи) на случай падения его напряжения.
При падении напряжения батареи или необходимости подачи большого импульса тока на нагрузку функции источника питания выполняет суперконденсатор. Это обусловлено тем, что общий уровень (плотность) энергии батарей высокий, а плотность их мощности мала, тогда как у суперконденсаторов, наоборот, плотность энергии мала, а плотность мощности велика. В простейшем случае суперконденсатор дублирует батарею, обеспечивая ток зарядки на нагрузку.
В последнее время большое внимание уделяется применению суперконденсаторов в системах гибридных автомобилей, в которых для управления генератором используется двигатель внутреннего сгорания, а приводится автомобиль в движение с помощью электрического двигателя (или двигателей).
В этом случае двигатель внутреннего сгорания работает с почти постоянной скоростью и выходной мощностью, т. е. с наибольшей эффективностью, а суперконденсатор служит источником тока в начале движения или при ускорении «подзаряжается» при торможении.
Несомненно, суперконденсаторы не могут заменить аккумулятор транспортного средства, но их применение значительно расширяет возможности системы питания, улучшая стартовые свойства при низких температурах (благодаря большему пусковому крутящему моменту), стабилизируя напряжение системы питания и сохраняя энергию, выделяемую при торможении. В общем случае в системе питания транспортных средств целесообразно применять суперконденсаторы, время зарядки/разрядки которых составляет 5—60 с.
4.2.2. Справочные данные
Состояние, перспективные показатели и характеристики различных типов ЕНЭ прелставлены в табл. 4.2—4.6.