Kondenzatorji z elektrostatičnim dvojnim slojem (EDLC – Electric Double Layer Capacitors), ki jih poznamo tudi kot superkondenzatorje, so elektrokemični kondenzatorji, ki združujejo visoko kapacitivnost z nizko notranjo upornostjo. Zato so primerni za zelo široko paleto načinov uporabe, ki jih bomo razložili, hkrati pa izpostavili, kaj morate pri tem upoštevati.
Rutronik GmbH
Avtorji: Julio Gállego, Christian Kasper, Akos Labady (EATON)
EDLC sestavljata dve aluminijasti elektrodi, prevlečeni z ogljikom. Ker je ta zelo porozen, ima izjemno veliko površino, ki omogoča veliko kapacitivnost. Ločevalni papir med elektrodama hkrati vsebuje zalogo elektrolita, običajno acetonitrila (ACN), katerega glavna naloga je, da kot topilo raztaplja soli, ki povečajo prevodnost. Pri priključeni enosmerni napetosti se nosilci naboja skladno s polarnostjo zberejo na izredno kratki razdalji od površine ogljika. Temu učinku pravimo Helmholtzev sloj in tvori dielektrik. Ker se ta hkrati zgodi na pozitivni in negativni elektrodi, pravimo tem gradnikom kondenzatorji z elektrostatičnim dvojnim slojem.
Sistemi za shranjevanje energije s superkondenzatorji
Superkondenzatorji so primerni zlasti za tri načine uporabe: pridobivanje energije iz okolja (angl. Energy Harvesting), zbiralniki za zagotavljanje visoke impulzne moči (angl. Pulse Power) in pokrivanje izpadov napajalne napetosti (angl. Backup). Cilj je razvoj hranilnika energije, ki uporablja samo superkondenzatorje ali pa jih kombinira s polnilno baterijo, kjer so superkondenzatorji namenjeni kot pomožni hranilnik energije za pokrivanje konic moči.
Pridobivanje energije iz okolja
Pri pridobivanju energije iz okolja potrebujemo možnost shranjevanja energije, ki jo proizvede glavni vir energije, na primer solarna celica, da jo lahko po potrebi uporabimo.
Pri tem velja upoštevati, da imajo superkondenzatorji večji slepi tok oziroma večje samopraznjenje od baterij. Med fazo pridobivanja energije oziroma polnjenja hranilnika bi moral biti polnilni tok vsaj 10-krat večji od slepega toka.
Zagotavljanje visoke impulzne moči ali povečanje moči
Če aplikacija občasno zahteva visoke vršne moči, jih lahko pokrije superkondenzator, kar lahko nekajkrat podaljša življenjsko dobo glavnega vira energije, na primer polnilne baterije. Tukaj je najpomembnejša vrednost pri izbiri superkondenzatorja enakovredna zaporedna upornost (angl. Equivalent Serial Resistance – ESR). Okvirno pravilo je: ESR kondenzatorja mora znašati približno četrtino ESR glavne baterije.
Prekinitev napajalne napetosti ali rezervno napajanje
Superkondenzatorji lahko določen čas zagotavljajo energijo. Pri tem ni nujno, da ima sistem vir energije, kot je baterija ali polnilna baterija. Primer so sistemi z uro realnega časa, ki več dni ali celo tednov porablja nekaj mikrovatov moči, pa tudi načini uporabe z veliko močjo, kot so tramvaji, ki morajo premagati kratke razdalje brez nadzemnih vodov. Superkondenzatorji so primerni tudi za omogočanje krajših odsekov vožnje za sisteme brez voznika (angl. Automated Guided Vehicle – AGV) brez potrebe po bateriji.
Pomembni parametri pri razvoju sistema s superkondenzatorji
Pri sistemih s superkondenzatorji je treba upoštevati določene parametre. Najpomembnejši so:
- Temperaturno območje
- Življenjska doba
- Število ciklov polnjenja in praznjenja v življenjski dobi
- Uporabno območje napetosti
- Stroški
- Parametri polnjenja
- Uravnoteženje
Temperaturno območje
Zaradi svoje kemične in fizikalne sestave imajo superkondenzatorji zelo stalne lastnosti v širokem temperaturnem območju delovanja. Krivulje kapacitivnosti in ESR (enakovredna zaporedna upornost) glede na temperaturo so na zahtevo na voljo pri proizvajalcu.
Življenjska doba
Na življenjsko dobo superkondenzatorjev najbolj vplivata delovna napetost in temperatura. Če so shranjeni nenapolnjeni, je njihova življenjska doba skoraj neomejena. Kot značilne vrednosti za življenjsko dobo proizvajalci v podatkovnih listih navajajo spreminjanje zmogljivosti, ki se največkrat pokaže kot padanje kapacitivnosti in naraščanje upornosti.
Število ciklov v življenjski dobi
V tipičnih delovnih pogojih lahko superkondenzator doseže do milijon delovnih ciklov, preden njegova kapacitivnost glede na nazivno pade za običajno 20–30 %.
Uporabno območje napetosti
Superkondenzatorji imajo nazivno napetost 2,7 oziroma 3,0 V (hibridni 3,8 V). Delujejo, dokler napetost ne pade na 0 V (hibridni samo do 2,2 V). Hibridni superkondenzatorji združujejo lastnosti polnilne baterije in superkondenzatorja, vendar pa njihova uporaba zaradi minimalne potrebne napetosti ni trivialna. Nekateri proizvajalci na podatkovnih listih navedejo tudi udarno napetost (nazivna napetost +10 %). To je absolutno najvišja dovoljena napetost, ki sme biti priključena največ eno sekundo. Nenamerne napetostne konice nad nazivno napetostjo na kondenzator ne vplivajo takoj, lahko pa glede na pogostost in trajanje znatno skrajšajo njegovo življenjsko dobo.
Teoretično znaša skupna sposobnost shranjevanja energije v kondenzatorju W = ½ CU2 (C = kapacitivnost, U = napetost). Ker večina elektronskih naprav za delovanje potrebuje določeno minimalno napetost, območje napetosti nikoli ne sega od nazivne napetosti do ničle. Če uporabimo napetostno območje do polovice nazivne napetosti, lahko povrnemo približno 75 % razpoložljive energije superkondenzatorja.
Preostalo energijo pri delni razelektritvi izračunamo po naslednji formuli (formula 1):
Stroški
Cena superkondenzatorjev na vatno uro je na primer v primerjavi z litij-ionskimi polnilnimi baterijami relativno visoka, zato je priporočljivo dobro premisliti, ali je rešitev s superkondenzatorjem smiselna in izvedljiva. Pri tem moramo stroške primerjati tudi s prednostmi uporabe superkondenzatorjev.
Parametri polnjenja
Superkondenzatorji za razliko od polnilnih baterij ne shranjujejo energije s kemično reakcijo, ampak elektrostatično. Zato jih je mogoče polniti in prazniti enako ter z enako vrednostjo toka, na primer s stalnim tokom ali stalno močjo iz vira enosmerne napetosti.
Uravnoteženje
Delovna napetost pri načinih uporabe, za katere so primerni superkondenzatorji, praviloma močno presega nazivno napetost posameznih superkondenzatorjev, ki znaša 2,7 ali 3,0 V. Za napetost npr. 12, 24 oz. 48 V je zato treba več kondenzatorjev povezati zaporedno. Različne tolerance kapacitivnosti in slepega toka posameznih kondenzatorjev v kondenzatorski bateriji je treba med polnjenjem medsebojno izravnati z uravnoteženjem celic (angl. Cell Balancing), da posamezne celice ne presežejo največje dovoljene napetosti, kar lahko izvedemo aktivno ali pasivno. Poenostavljeno povedano je pasivno uravnoteženje primerno za načine uporabe z majhnimi obremenitvami, aktivno pa za velike obremenitve in nagla zaporedja ciklov polnjenja/praznjenja.
Pri pasivnem uravnoteženju vgradimo vzporedno z vsako celico obvodni upor ali Zenerjevo diodo, ki kompenzira razlike v slepih tokovih in kapacitivnostih med celicami. Če so vsi vzporedno vezani upori enaki, se celice z višjo napetostjo na uporu praznijo hitreje od celic z nižjo napetostjo, kar izenači napetosti posameznih celic.
Pri aktivnem uravnoteženju uporabljamo napetostne komparatorje same ali skupaj z drugimi funkcijami za nadzor/polnjenje. Aktivno uravnoteženje za razliko od pasivnega ne uporablja ves čas celotnega kompenzacijskega toka, ampak ga vklopi le, ko napetost preseže vnaprej določeno mejno vrednost. Zaradi tega je aktivno uravnoteženje zelo učinkovito in ima bistveno boljši izkoristek, a je tudi bolj zapleteno in dražje. Na splošno je največkrat najboljša izbira superkondenzatorska baterija, ki ima uravnoteženje v veliki meri že integrirano, saj je tam uravnoteženje optimalno prilagojeno celicam.
Dimenzioniranje superkondenzatorjev
V prvem koraku razvoja naprav s superkondenzatorji je ključnega pomena določitev vrednosti parametrov v grafiki 4, saj določajo delovanje superkondenzatorja pri našem načinu uporabe.
Ker večina načinov uporabe zahteva skoraj stalen tok, pri nekaterih pa se tok tudi spreminja, izhajamo tukaj iz povprečnega toka (It).
Življenjska doba superkondenzatorjev
Da je superkondenzator dosegel konec življenjske dobe (angl. End of Life – EOL), štejemo, ko v primerjavi s podatkovnim listom:
kapacitivnost pade za 30 % (za nekatere načine uporabe, npr. letalstvo, velja 20 %; za druge, npr. avtomobilsko industrijo, pa 50 %),
ali se podvoji vrednost ESR (običajno pri približno 30-odstotnem zmanjšanju kapacitivnosti); za gumbaste celice (angl. Coin) šteje 400-odstotno povečanje.
Merila za EOL običajno najdete v podatkovnem listu pod naslovom »DC-life«.
Izračun kapacitivnosti
Z naslednjo formulo lahko izračunate potrebno kapacitivnost superkondenzatorja, formula 2.
V prvem koraku ne upoštevamo padca napetosti (Vdrop) formula 3.
Nato izberemo standardno vrednost kapacitivnosti, ki je višja od izračunane. Če je rezultat formule na primer 13,2 F, izberemo 15 F.
Naslednji korak je drugi izračun, ki upošteva največjo možno vrednost ESR v enosmernem načinu (nizka frekvenca). Vrednost DC ESR je običajno navedena v podatkovnem listu in je kot primer prikazana v grafiki 5.
Padec napetosti (padec napetosti na ESR)
Če upoštevamo Vdrop zaradi ESR, dobimo višjo končno kapacitivnost, saj se zmanjša uporabno območje napetosti. Ta na novo izračunana vrednost mora biti manjša od prej izbrane kapacitivnosti. Če na primer znaša 13,8 F, bo izbrani kondenzator 15 F še vedno ustrezal, če pa je ugotovljena kapacitivnost večja od 15 F, je treba izbrati kondenzator z večjo kapacitivnostjo. Pri tem vedno upoštevajte tudi poslabšanje kapacitivnosti in ESR (grafika 6), formula 4.
Če vzamemo za konec življenjske dobe (EOL) npr. 80 % prvotne kapacitivnosti in smo določili vrednost kapacitivnosti 13,8 F, mora biti dejanska kapacitivnost za 20 % večja, tj. 16,56 F. To pomeni, da moramo izbrati kondenzator z vrednostjo 25 F.
Temperaturni profil
Ključni dejavnik pri uporabi superkondenzatorjev je temperaturni profil načina uporabe, saj zelo močno vpliva na različne značilnosti superkondenzatorja, zlasti ESR, kapacitivnost in slepi tok. To posledično vpliva na njegovo življenjsko dobo.
Notranja upornost (ESR) je v srednjem temperaturnem območju skoraj stalna, pri višjih temperaturah pa celo nekoliko pade (grafika 8). Če naprava deluje pri temperaturah pod 20 °C, je treba v izračunih obvezno upoštevati naraščanje vrednosti ESR. Drugače je s kapacitivnostjo, ki je razmeroma stabilna v celotnem temperaturnem območju, malo pade le pri nizkih temperaturah.
Slepi tok najlaže opišemo kot najmanjši potreben tok, ki ga je treba dovajati v superkondenzator, da dolgoročno ohrani enak naboj oz. napetost. Močno je odvisen od temperature in priključene napetosti: z vsakim dvigom temperature za 10 °C se dvigne za dva- do trikrat, od 40 °C naprej pa narašča še bolj strmo (grafika 9). Na drugi strani ga vsako zmanjšanje napetosti za 0,2 V zmanjša za približno 50 %. Sorazmeren je s kapacitivnostjo kondenzatorja in odvisen od vrste elektrolita: pri ACN (acetonitril) je nekoliko višji kot pri PC (propilenkarbonat).
Slepi tok je pomemben pri načinih uporabe, ki so stalno pod napetostjo, saj je treba v kondenzatorje vedno dovajati tok, da se ohrani napetost. Slepi tok je treba upoštevati tudi pri zaporedno vezanih kondenzatorskih baterijah, ki so stalno priključene na napetost. Njegovo spreminjanje skozi življenjsko dobo namreč postopoma poslabša uravnoteženost sistema: celice z nižjim slepim tokom se napolnijo bolj, celice z višjim pa manj, kar povzroči še bolj neenakomerno staranje celic v sistemu. Tu lahko pomaga pasivno uravnoteženje. Približno pravilo je, da mora biti tok uravnoteženja desetkrat večji od slepega toka.
Primer sistema s superkondenzatorji: vozila brez voznika
Skladišča sodobnih sistemov za e-trgovino v svojih močno avtomatiziranih procesih skladiščenja in odpreme pogosto uporabljajo prevozne sisteme brez voznika (AGV). Ti vzamejo kartone ali palete z regalov in jih prepeljejo v pakirno postajo, kar običajno traja dve do tri minute. Napajanje imajo izvedeno preko drsnih vodil ali pa z vgrajenim hranilnikom energije (polnilna baterija ali superkondenzator). Ta hranilnik energije lahko dovaja energijo skozi celotno pot in se polni po izmeni ali pa pokriva le del poti in se vmes redno polni na polnilni postaji.
Za takšna vozila brez voznika so postali superkondenzatorji priljubljen način napajanja, zlasti v hladilnicah ali za delovanje brez vzdrževanja 24 ur na dan in 7 dni v tednu. Ker jih je mogoče v 10–30 sekundah napolniti za dve do tri minute delovanja, omogočajo skladiščniku skoraj 100-odstotno izkoriščenost vozila zaradi kratkih časov mirovanja med polnjenjem. Poleg tega lahko delujejo skoraj brez vzdrževanja več kot deset let in nimajo potencialnih varnostnih težav, ki se lahko pojavljajo pri polnilnih baterijah.
Rutronik GmbH,Podružnica v Ljubljani
Motnica 5, 1236 Trzin, Slovenia
E-pošta: rutronik_si@rutronik.com
Tel. +386 1 561 09-80
https://www.rutronik.com
