Супер конденсаторы

на сайте

www.electrosad.ru

Процессор и .. Охлаждение ПК Статьи Полезные советы Ссылки Электроника Linux Список литературы Проекты, идеи
 

Их называют: суперконденсатор, гибридный конденсатор, импульсный энергоёмкий конденсатор (ИКЭ), молекулярный накопитель энергии (МНЭ ТехнолКор), конденсаторы с двойным электрическим слоем, конденсаторный модуль, электрохимический конденсатор, электростатические аккумуляторные батареи, гибридные конденсаторы, ESD, DESK, Supercapacitor, Goldcap, PRI Ultracapacitor, DLC-конденсатор, а занимающиеся электроникой знают его под названием - ионистор.
Все это, по принципу действия, конденсаторы, но совсем не оксидные конденсаторы. Это одни и те же конденсаторы, работающие на эффекте двойного слоя, а все отличия характеристик определяются конструктивными решениями, особенностями технологии и требованиями потребителя.
Наиболее подходящее название для них — электрохимический конденсатор (ЭХК). Их прерогатива, определяемая очень большой емкостью — накопление энергии.

 
 

Немного истории

 

В 1878 г. Р. Кольрауш обнаружил, что граница между электродом и раствором ведет себя по отношению к переменному току, как электрический конденсатор большой емкости. Его объяснение этому явлению было максимально простым по тому времени, при пропускании переменного тока на электроде создастся не видимая глазом газовая пленка из выделяющегося кислорода и водорода. И ведет она себя как некий изолятор, разделяющий заряды электрода и заряды ионов раствора. В итоге образуется конденсатор большой емкости.

В 50-х годах XIX века Г. Квинке для объяснения механизма только что открытого им так называемого потенциала протекания высказал гипотезу двойного слоя.

В 1881 Г. Гельмгольц, предположил, что на границе электрод - раствор создастся двойной электрический слой (ДЭС) зарядов: один - на металле, другой в виде ионов - у поверхности электрода. Им было теоретически описано строение двойного электрического слоя на поверхности электродов и предсказано использования этого явления в устройствах для запасания энергии.

В 1878 г. ученик А.Г. Столетова, профессор Казанского университета Р. А. Колли показал, что находящиеся в двойном слое ионы удерживаются от разряда благодаря взаимодействию с растворителем.

В 1905 г. французский физик Луи Гюи, установивший тепловую природу броуновского движения, указал, что принятое в модели Гельмгольца строго фиксированное расположение ионов в двойном слое в реальности невозможно, так как, кроме электростатических, на ионы действуют силы, обусловленные тепловым движением молекул. Это означало, что концентрация ионов около границы раздела фаз постоянно убывает в направлении, перпендикулярном поверхности раздела. Новая модель двойного слоя получила название диффузного двойного слоя Гюи-Чапмена. Во многом она была подобна модели, которую Дебай и Хюккель создали позже для описания ионной атмосферы вокруг заряженной частицы.

В 1924 г. Отто Штерн, профессор Гамбургского университета, Нобелевский лауреат, предложил учитывать адсорбцию ионов, происходящую под влиянием химических сил. В своей модели двойного слоя он объединил модели Гельмгольца и Гюи-Чапмена. Модель Штерна объясняла явления перезарядки поверхности в электрокинетических измерениях и очень хорошо согласовывалась с экспериментальными данными.

В 40-х годах XX века американский ученый Дональд Грэм предположил, что существуют две плоскости Гельмгольца: одна, внутренняя, плоскость электрических центров специфически адсорбированных ионов или молекул растворителя и другая, внешняя, плоскость центров неорганических катионов, которые специфически не адсорбируются. Таким образом, в пространстве между поверхностью металла или твердого тела и раствором имеются как бы три последовательно соединенных конденсатора: электростатическая емкость пространства между металлом и внутренней плоскостью Гельмгольца, электростатическая емкость пространства между двумя плоскостями Гельмгольца и емкость диффузного слоя.

Список участников исследований двойного слоя не ограничивается перечисленными учеными. Французский физик Габриэль Липпман, А.Н. Фрумкин, профессор химии в московском университете Ф.Ф. Рейсс и многие другие проводили исследования способствующие исследованию двойного слоя.

 

Первые практические результаты научных работ, связанных с применением суперконденсаторов относятся к середине 20 века, когда был разработан широкий круг материалов, позволяющих практически реализовать идею суперконденсатора. С другой стороны, разработку новых типов конденсаторов подстегивала потребность промышленности в мощных, быстро заряжаемых источниках тока с большим ресурсом.

Работы по улучшению свойств электрохимических конденсаторов привели к появлению в конце 20 века суперконденсаторов с удельной емкостью до 10 Вт*ч/кг, что позволило использовать суперконденсаторы для нужд гибридного и электротранспорта.

В 60-е годы двадцатого столетия General Electric, Carborundum Со, Gould Ionics Inc, Standard Oil в США и ряд других ино­странных фирм заявили о разработке нового класса элементов электронной техники, который в разных странах до сих пор называют по-разному.

Например, ESD (от английского Energy Storage Device – энергетическое запо­минающее, накапливающее устрой­ство) или DESK (от немецкого Doppelelektrischeschichtkondensator – конденсатор с двойным электрическим слоем). Небезызвестная Matsushita Electric уже более двадцати лет выпус­кает эти, пользующиеся неуклонно растущим спросом, изделия под наи­менованием Goldcap (дословно – золотая емкость),хотя в России и странах СНГ такие элементы, а также их многочисленные аналоги давно называют ионисторами.

Первый конденсатор с двойным слоем на пористых угольных электродах был запатентован в 1957 году фирмой General Electric. Так как точный механизм к тому моменту времени был не ясен, было предположено, что энергия запасается в порах на электродах, что и приводит к образованию «исключительно высокой способности накопления заряда». Чуть позже, в 1966 фирма Standard Oil of Ohio, Cleveland (SOHIO), USA запатентовала элемент, который сохранял энергию в двойном слое.

Столкнувшись с фактом небольшого объёма продаж, в 1971 году SOHIO передала лицензию фирме NEC, которой удалось удачно продвинуть продукт на рынке под именем «Supercapacitor». В 1978 году фирма Panasonic выпустила на рынок «Gold capacitor» («Gold Cap»), работающий на том же принципе. Эти конденсаторы имели относительно высокое внутреннее сопротивление, ограничивающее отдачу энергии, так что эти конденсаторы применялись только как накопительные батареи для SRAM.

Фирмы Maxwell Technology, Evans Capacitor для мощных военных систем впустила конденсаторные батареи моделей 3STHQ3 и 3PTHQ3 на СК серии THQ3 (компания называет их гибридными конденсаторами. Емкость СК серии лежит в диапазоне 3,3–150 мФ при напряжении от 125 до 10 В. Диапазон рабочей температуры конденсаторов – -55…125°С. СК серий THQA2-HT и HC-HT емкостью 68–580 мкФ, рассчитанные на работу при температуре 200°С. Напряжение конденсаторов при 200°С составляет 30–75 В.

СК для сильноточных систем выпускает компания Wima (Германия). Напряжение их конденсаторов серий SuperCap равно 2,7 В по постоянному току, емкость – 110–600 Ф, рабочий и импульсный токи – до 100 и 800 А, соответственно. Рабочее напряжение и ток самого большого и мощного СК серии SuperCap MC составляют 14 В и 400 А. Масса конденсатора равна 1,7 кг, габариты – 325×60×90 мм. Прибор выдерживает импульсный ток до 1,4 кА. Емкость СК равна 110 Ф, сопротивление – 7 мОм, максимальная накопленная энергия – 10 кДж, диапазон рабочих температур -30…65°С, срок службы – 90 тыс. ч.

Компания Nesscap с 2009 года выпускает семейство цилиндрических СК, в которое вошли пять элементов емкостью от 650 до 3000 Ф на напряжение 2,7 В и серию компактных многоэлементных модулей, на их основе, напряжением 48 В. Емкость модулей лежит в диапазоне 36–166 Ф.

Первые ионисторы с малым внутренним сопротивлением для применения в мощных схемах были разработаны фирмой PRI в 1982 году. На рынке эти ионисторы появились под именем «PRI Ultracapacitor».

В России производством электрохимических силовых конденсаторов занимаются компания ЭСМА, Елецкий завод «Энергия», ЗАО "Научно Производственное Объединение "ТехноКор", ИНКАР-М. Их продукция в основном идет на экспорт.


Рис.1

Тенденции снижения стоимости 1 кДж запасаемой энергии
и 1Ф емкости ЭХК к 2012 году.

 

Ионистор

Изделия применяемые для электронной техники принято называть — ионисторами. Не смотря на то что они аналогичны подобным изделиям другого назначения, их свойства отличаются от силовых ЭХК и уступают им по некоторым параметрам, поэтому о них надо сказать отдельно.

Ионисторам присущи уникальные свойства:

  • высокая удельная емкость,

  • длительность и надежность сохранности заряда.

Они могут безотказно функционировать в цепях постоянного и пульсирующего тока в широком диа­пазоне механических и климатических воздействий.

 

Ионистор - это энергонакопительный конденсатор, заряд в котором накапливается на границе раздела двух сред - электрода и электролита (в двойном электрическом слое). Энергия в ионисторе содержится в виде статического заряда. Накопление совершается, если к его обкладкам будет приложена разность потенциалов (постоянное напряжение). Концепция создания ионисторов появилась недавно, и в настоящее время они заняли свою нишу применения. Ионисторы успешно могут заменять химические источники тока в качестве резервного (микросхемы памяти) или основного подзаряжаемого (часы, калькуляторы) источника питания.

Если обычный конденсатор представляет собой обкладки из фольги, разделенные диэлектриком, то ионистор - это комбинация конденсатора с электрохимической батареей — электрохимический конденсатор. В нем применяются специальные материалы для обкладок и электролит. В качестве обкладок используются материалы одного из трех типов: обкладки большой площади на основе активированного угля, оксиды металлов и проводящие полимеры.
Использование высокопористых угольных материалов позволяет достичь плотности емкости порядка 10 Ф/см3 и больше. Ионисторы на базе активированного угля наиболее экономичны в изготовлении. Их еще называют двухслойными или DLC - конденсаторами, потому что заряд сохраняется в двойном слое, образующемся на поверхности обкладки.

Электролит ионисторов может быть водным либо органическим. Ионисторы на основе водного электролита обладают небольшим внутренним сопротивлением, но напряжение заряда для них ограничено 1 В. А ионисторы на основе органических электролитов обладают более высоким внутренним сопротивлением, но обеспечивают напряжение заряда 2...3 В.

 

Рис.2

Зависимость тока утечки ионистора К58-3 от приложенного напряжения.
Хорошо видно резкое увеличение тока утечки при напряжении более 2,5 В.

 

Характеристики ионисторов Вы найдете легко, но я хотел бы обратить Ваше внимание на рисунок 2, из которого наглядно видно, что его ток утечки растет при напряжениях превышающих 2,5 — 2,7 В, что определяется электрохимическими процессами в электролите. т. е. их применение при таких напряжениях нецелесообразно и опасно для ионисторов, потому что в начинается электролиз и соответственно газовыделение. К чему приводит газовыделение в оксидных конденсаторах Вы хорошо знаете.

Для питания электронных схем нужны более высокие напряжения, чем обеспечивают ионисторы. Для получения нужного напряжения их включают последовательно. 3-4 ионистора обеспечивают напряжение достаточной величины. Величина энергетической емкости ионисторов на самом деле огромна и измеряется в фарадах (Ф). В ионисторах достижима энергетическая плотность до 10 Вт/кг. Она больше, чем у типичных конденсаторов, но меньше, чем у лучших аккумуляторов. Относительно низкое внутреннее сопротивление ионисторов обеспечивает хорошую проводимость.

Ионистор может запасать энергию, примерно равную 1/10 энергии никельметаллгидридного аккумулятора. В то время как аккумулятор выдает относительно постоянное рабочее напряжение, напряжение на ионисторе, как у всякого конденсатора, понижается линейно от рабочего значения до нуля и ему не присущи такие плоские зоны характеристики разряда, как у аккумуляторов. Учитывая, что изделия электронной техники работают при ограниченных значениях питающего напряжения, заряд в ионисторе оставшийся при достижении минимального напряжения, остается не использованным.

Например, если 6-вольтовая батарея допускает разряд до 4,5 В, пока оборудование не выключится, ионистор достигает этого порога в течение первой четверти времени разряда. Оставшаяся в нем запасенная энергия оказывается бесполезной. В случаях когда необходимо более полное использование запасенной энергии можно использовать DC/DC преобразователи.

Чаще всего ионисторы используют для питания микросхем памяти, и иногда ими подменяют электрохимические батареи. Кроме того, их используют в цепях фильтрации и сглаживающих фильтрах. Ионисторы могут работать и в буфере с батареями в целях защиты их от резких скачков тока нагрузки: при низком токе нагрузки батарея подзаряжает суперконденсатор, и если ток резко возрастет, суперконденсатор отдаст запасенную энергию, чем уменьшит нагрузку на батарею. При таком варианте использования его размещают либо непосредственно возле аккумуляторной батареи, либо внутри ее корпуса.

 

Преимущества ионисторов:

  • большой срок службы;
  • малое внутреннее сопротивление;
  • быстрый заряд;
  • работа ионистора при любом напряжении, не превосходящем номинального;
  • неограниченное число циклов заряд/разряд;
  • отсутствие необходимости контроля за режимом зарядки;
  • использование простых методов заряда;
  • широкий диапазон рабочих температур: -25...+70 °С;
  • относительная дешевизна ионисторов.

     

Недостатки ионисторов:

  • не обеспечивают достаточного накопления энергии;
  • маленькая энергетическая плотность;
  • низкое напряжение на некоторых типах ионисторов;
  • для получения требуемого напряжения необходимо последовательное подключение нескольких элементов;
  • высокий саморазряд.

 

Применение ионисторов:

  • буферные источники питания в:
    • таймерах различных электронных устройств,
    • резервное питание памяти, что с появлением флеш памяти стало менее актуально,
  • электронные счетчики электрической энергии;
  • охранная сигнализация;
  • электронные измерительные приборы и т. п.
  • для продления срока службы батарей цифровых фотоаппаратов и камер,
  • для замещения электролитических танталовых конденсаторов,
  • для улучшения характеристик источников на основе литиевых и NiMH-элементов при температурах ниже 0°С,
  • при Hot-Swap-замене источника мобильного ноутбука и в других случаях.

 

Характеристики серийно выпускаемых ионисторов.
Тип ионистора Емкость, Ф Номинальное напряжение, В Внутреннее сопротивление,
Ом
Масса, г
К58-3 2,00 2,5 30 2,0
К58-9а 0,47 2,5 80 0,5
К58-9а 2,00 2,5 30 2,0
К58-96 0,62 5,0 60 11.0
К58-96 1,00 5,0 60 11,0
К58-96 0,62 6,3 90 11,0
К58-98 1,00 5,0 60 8,0
К58-98 0,62 6,3 90 10,0

Таблица 1.

 

А теперь о другом классе конденсаторов с двойным электрическим слоем!

 

Силовые электрохимические конденсаторы

Не смотря на то что силовые электрохимические конденсаторы (ЭХК) принадлежат к той же группе конденсаторов с двойным слоем к ним предъявляются специфические требования. Высокая удельная плотность энергии, длительный ресурс (соизмеримый с ресурсом изделий на которых они устанавливаются), высокий КПД (низкое сопротивление потерь ESR и низкие утечки), высокий ток в нагрузке и самое главное широкий рабочий температурный диапазон.

Первые практические результаты научных работ, связанных с применением силовых электрохимических конденсаторов относятся к середине 20 века, когда появился широкий круг материалов, позволяющих практически реализовать идею суперконденсатора. С другой стороны, разработку новых типов конденсаторов подстегивала потребность промышленности в мощных, быстро заряжаемых источниках тока с большим ресурсом.

Работы по улучшению свойств электрохимических конденсаторов привели к появлению в конце 20 века СЭК с емкостью до 10 Вт*ч/кг, а в 2011 году появились образцы с удельной емкость 85.6 ватт-часов на килограмм при комнатной температуре и 136 Вт-ч/кг при 80 °C (Суперконденсатор из графена лучше химических батарей), что позволяет использовать ЭХК в качестве буферных накопителей энергии:

  • для энергетических установок с нестабильными энергетическими характеристиками. Таких как ветро - электрогенерирующие установки, электростанции с полупроводниковыми солнечными панелями, приливные электростанции, …
  • для энергетических установок с ограниченной мощностью в случае их применения для питания нестабильных нагрузок, например топливные элементы. В том числе как буферные в электротранспорте с аккумуляторными источниками питания, позволяет применить АБ на меньшие пиковые токи, что удлинняет срок из службы.
  • для приводов и гибридных транспортных средств, где характерны кратковременные пиковые нагрузки при трогании и разгоне.



 

Применение ЭХК в энергетических установках с нестабильными характеристиками

Это применение, я думаю не требует особого разбора. Ведь ЭХК являясь по сути именно конденсаторами позволяют накопить энергию в пиках отдачи мощности генерирующими устройствами запасти энергию, с тем чтобы при снижении или в паузе отдать ее в нагрузку. Это позволяет вывести качество подобных электроустановок на уровень промышленных стандартов. А применение преобразующих DC/DC установок, которые в принципе присутствуют в таких системах, позволит увеличить используемую долю запасенной в ЭХК более 50%.

 

Применение ЭХК для энергетических установок ограниченной мощности

При работе нагрузок с постоянно изменяющимися мощностями отбора от энергетических установок с большим внутренним сопротивлением применение ЭХК позволяет выровнять отбор мощности на допустимом уровне при сохранении необходимой динамики нагрузки.

Применение ЭХК для нужд гибридного и электротранспорта.

Суть применения ЭХК заключается все в том же накоплении энергии и кратковременной отдаче ее в привод в моменты трогания с места, разгона транспортного средства. Это позволяет например на транспортном средстве с двигателем внутреннего сгорания 60 кВт иметь общую мощность на колесах до 120 кВт (с помощью электропривода 60 кВт на колеса) в режиме строгания или разгона. При средней мощности все те же 60кВт. Это позволяет снизить расход топлива до 50% и увеличить ресурс двигателя.

Другая особенность применения ЭХК в транспортных средствах, это возможность «активного торможения», в процессе которого энергия движения транспортного средства преобразуется обратно в электрическую энергию которая в свою очередь возвращается в ЭХК. Это рекуперация энергии. В результате энергия полученная при торможении электроприводом может повторно использоваться при последующем разгоне.

 

Примеры применения ЭХК:

Рисунок 3
Бортовые системы пуска дизелей тяжелых грузовых автомобилей включают ЭХК и комплект специально разработанных НИИСТА аккумуляторных батарей (АБ), образующие единый энергоблок для пуска (1-3 с) и прокрутки (10-15 с) двигателей при температурах до минус 50°С.
ЭХК обеспечивает пиковую мощность на стартере, необходимую для раскручивания коленвала до пусковых оборотов особенно при низких температурах и недостаточной степени заряженности АБ.
Энергоблоки имеют два схемных решения: по простой схеме имеет место «буферное» подключение с помощью дополнительного выключателя массы ЭХК к АБ на период пуска и движения автомобиля; во втором случае осуществляется автоматическое подключение ЭХК к АБ перед пуском и автоматическое отключение ЭХК от бортовой сети после пуска двигателя. «Отключаемый» вариант позволяет использовать ЭХК со значительно  (1,75-2,0 раза) большими энергией и мощностью в тех же габаритах

Рисунок 4
Опыт применения ЭХК для перемещения поезда метро до ближайшей станции, в случае потери сети:
Метропоезд:
  • - вес – 160 Т,
  • - расстояние – 800 М
  • - скорость – 15 км/час
  • - время – 280 СЕК

ЭХ конденсаторы:

  • - напряжение – 640 В;
  • - емкость – 5,6 Ф;
  • - энергия – 1,3 мДж;
  • - количество в батарее- 14;
  • - общий вес - 530 Кг.

Рисунок 5
Проект гибридного локомотива с супер конденсаторами
Технические характеристики:
  • Формула ходовой части 1о+1+1о-1о+1+1о,
  • Масса локомотива, 120 т,
  • Скорость конструкционная - 95 км/ч,
  • Емкость накопителя, - 10 МДж,
  • Вес накопителя - 24 т,
  • Экономия топлива - 50 - 80%

Рисунок 6
ё-мобиль — проектируемый российский гибридный автомобиль, комбинированная силовая установка:
электрическая трансмиссия с питанием от генератора, вращаемого газово-бензиновым двигателем,
и ёмкостного накопителя энергии.
В качестве накопителя энергии используется блок ЭХК (суперконденсаторов) ЗАО «ЭЛТОН» весом 100 кг, размещаемый под задними сидениями. Для его полной зарядки требуется 10 минут.
  • максимальная скорость в 120 км/ч.
  • Кросс купе ускоряется за 7 секунд до 100/км.ч
  • межсервисный пробег — 40 тыс. км.


 

Чтобы Вы не шутили по поводу Ё-мобиля (просто его конструкция немного известна) приведу список моделей гибридных авто западных фирм:

 

BMW Active Hybrid X6, Audi A8 Hybrid, Volkswagen Touareg Hybrid, Hyundai Sonata Hybrid, BMW 5-Series Active Hybrid, Subaru Hybrid Tourer, Lexus CT 200h, Mitsubishi i-MiEV. В многих из них (по крайней мере в тех по которым есть информация) привод отличается от типового, электромеханического привода (как у Volvo C30 ReCharge ), где:

  1. Мотор - генераторная установка вырабатывает электрическую энергию,
  2. NiMH аккумуляторная батарея, используется как накопитель энергии,
  3. Система управления — обеспечивает управление и регулирование мощности на ходовую часть,
  4. Мотор - колеса или электромотор на приводной оси обеспечивает передачу мощности на колеса.

Существуют и экзотические модели, где на типовой задний привод ставится дополнительный электромотор на кардан или полуось.

Практически все значимые производители отметились планами производства и новыми моделями гибридных авто.

 

Принципы работы, конструкции, характеристики силовых электрохимических конденсаторов

Механизм образования двойного слоя

При погружении металла в раствор его соли в зависимости от концентрации раствора одинаково вероятен как переход ионов металла из кристаллической решетки металла в раствор, так и обратный процесс. И в том и в другом случае на электроде создастся либо избыток, либо недостаток электронов. В связи с этим к электроду притягиваются те или иные ионы. Так на границе электрода с раствором образуются два слоя противоположных зарядов: один на самом электроде, другой в растворе, в непосредственной близости от электрода. Заряд на электроде может возникать и за счет внешнего источника тока. Тогда на одном электроде образуется избыток отрицательных зарядов, и около него сосредотачиваются катионы раствора, а на другом электроде - избыток положительных зарядов, и около него сосредотачиваются анионы. В любом случае на границе между электродом и раствором всегда образуется двойной электрический слой. Ионы, однако, обладают вполне определенным радиусом, а раз так, то их электрические центры могут подойти к поверхности электрода только на расстояние этого радиуса, от которого и зависит толщина слоя (называют его плотным слоем, а его границу в честь автора первой теории двойного электрического слоя - плоскостью Гельмгольца). Такой плоский конденсатор необычен. Расстояние между его "обкладками" равно радиусу ионов, то есть стомиллионным долям сантиметра. Если разность потенциалов равна одному вольту, то напряженность электрического тока достигает при этом миллиона вольт на сантиметр. Это очень высокая напряженность. Даже в мощных электростатических ускорителях заряженных частиц она гораздо меньше. Естественно предположить, что при такой высокой напряженности электрического поля реакционная способность веществ меняется, изменяются вообще химические свойства вещества. На катоде такие поля способны извлечь электроны из металлов и вызвать нейтрализацию катионов. А на аноде они обусловливают начальный акт растворения - переход металла из кристаллической решетки в двойной слой в виде ионов.

Как же выглядит после всех уточнений граница разделения металл - раствор? Слой, непосредственно примыкающий к металлу, состоит из молекул воды либо другого растворителя, диполи которых ориентированы к поверхности металлического электрода. Здесь или очень близко отсюда находятся и ионы (скорее всего катионы), слабо гидратированные либо склонные к сильной адсорбции на металле. Это плотная часть двойного слоя. Сильно же гидратированные ионы не могут подойти к поверхности металла так близко и располагаются за внешней плоскостью Гельмгольца, от которой в объем раствора простирается диффузная часть слоя. При больших концентрациях электролита концентрация адсорбированных ионов возрастает и диффузная часть слоя сжимается. Свойства границы раздела фаз приближаются тогда к свойствам двойного слоя Гельмгольца. При очень низких концентрациях электролита диффузная часть слоя начинает играть все более важную роль.

Диффузная область двойного слоя существует не только в растворе.

Такая же область появляется и в полупроводниковом электроде, для которого характерна умеренная диэлектрическая проницаемость и низкая концентрация носителей заряда в отличие от металла, где концентрация носителей заряда высока и на поверхности образуется плотный слой. Двойной электрический слой мы обнаруживаем и на границе раздела электролитизолятор, если на изоляторе есть фиксированный заряд, который может создаться за счет адсорбции ионов, ионного обмена между материалом и раствором и так далее. В сущности, он существует везде, где есть поверхность, образованная химическими разнородными материалами, и возможен переход зарядов через границу раздела, существует и оказывает сильное влияние на все - на подвижность заряженных коллоидных частиц, на течение жидкости в пористом материале, на свойства пористых и других мембранных систем.

Подобные явления (образование двойного электрического слоя), как справедливо сказано выше, могут происходить "везде, где есть поверхность, образованная химическими разнородными материалами, и возможен переход зарядов через границу раздела". И не только в жидких или твердых полупроводящих средах, но и в газах.

 

Существует несколько основных конструкций ЭХК

В большинстве представленных на рынке ЭХК электроды выполнены из разных сортов нанопористого углерода. Между электродами расположен сепаратор, проницаемый для ионов водного или жидкого органического электролита. При подаче разности потенциалов на электродах формируются двойной электрический слой (ДЭС), образуемые избыточными носителями противоположной полярности. Ёмкости ДЭС электродов C1 и C2 соединены последовательно через электролит, так что общая ёмкость ЭХК C = C1C2/(C1 + C2), а при C1 = C2 величина C = C1/2. Для увеличения ёмкости ЭХК размеры нанопор анода (катода) подбираются так, чтобы в поры могли входить отрицательные (положительные) ионы электролита, имеющие разные размеры.

Разработан ряд электрохимических конденсаторов асимметричной конструкции, в которых один электрод (обычно отрицательный) выполнен из активированного углеродного материала и является идеально поляризуемым, а на другом электроде в процессе зарядно - разрядного цикла идут фарадеевские процессы (неполяризуемый электрод), сопровождающиеся изменением массы электрода и переносом заряда через гетерограницу электрод/электролит. Ёмкость положительного электрода обычно более чем на порядок превышает ёмкость отрицательного электрода при одинаковых размерах. Ёмкость асимметричного ЭХК определяется ёмкостью поляризуемого электрода: С = С1.


По электрохимическому поведению ЭХК можно разделить на следующие типы:

  1. ЭХК с органическим электролитом,

с идеально поляризуемыми электродами (симметричные ЭХК), например, со следующими структурами: Au––30-% водный раствор KOH–Au+; C––38-% водный раствор H2SO4–C+; Pt––органический электролит–Pt+. В таких ЭХК на электродах в рабочем интервале напряжений электрохимические реакции не протекают, поэтому по величине энергии, мощности, температурному диапазону и количеству циклов заряд - разряд они ближе всего к оксидно - электролитическим конденсаторам.

  1. ЭХК с водным щелочным электролитом

с идеально поляризуемым электродом и неполяризуемым/слабополяризуемым вторым электродом (асимметричные ЭХК), например, со следующими структурами: Ag––твердый электролит RbAg4I5–C+; C––30-% водный раствор KOH–NiOOH+. В конденсаторе с твёрдым электролитом RbAg4I5 (суперионным проводником) реакция протекает на катоде: Ag+ + e ↔ Ag0, а в конденсаторе с 30-% водным раствором KOH реакция на аноде имеет вид: Ni2+ – e ↔ ↔ Ni3+. Эти реакции накладывают диффузионные и кинетические ограничения на скорость зарядки и разрядки ЭХК, поэтому по своим характеристикам асимметричные ЭХК ближе к аккумуляторам, чем к симметричным ЭХК.

По типу используемых в качестве электролитов материалов ЭХК можно разделить на следующие группы:

  • жидкостные,
  • твердотельные,
  • полимерные,

 

Полимерные электролиты представляют собой растворы солей в полимере. На макроскопическом уровне такие вещества ведут себя как твёрдые тела, что обеспечивается контактными взаимодействиями макромолекул полимера, а на микроскопическом уровне они демонстрируют черты поведения жидкостей. В настоящее время наиболее часто используются полимерные твёрдые электролиты, образующиеся при смешивании окиси полиэтилена и таких солей, как LiClO4, LiAsF6, LiCF3SO3 и др.

Применение ЭХК на основе твёрдых электролитов обеспечивает ряд преимуществ. Для электроники важна возможность создания тонкоплёночных ЭХК с использованием микроэлектронных технологий. Перспективно использовать в ЭХК высокопроводящие твёрдые электролиты – так называемые «передовые суперионные проводники» (ПСИП) – вещества с рекордно высоким уровнем ион - транспортных характеристик. ЭХК на основе ПСИП могут конкурировать с высокоёмкими конденсаторами на основе сегнетоэлектрических материалов. В ЭХК на основе ПСИП, так же как в ЭХК с жидкими электролитами, энергия электрического поля запасается в ДЭС молекулярной толщины. Вызываемые проникающими ионизирующими излучениями токи утечки конденсаторов повышаются с увеличением объёма, занимаемого электрическим полем (рис. 4).

Радиационно - стойкие высокоёмкие ЭХК необходимы для создания электроники и объектов нано и микросистемной техники, предназначенных для работы в условиях сильных космических излучений и на территориях с высокими концентрациями радионуклидов. Плёночные ЭХК на основе ПСИП должны значительно превосходить сегнетоэлектрические конденсаторы по радиационной стойкости.

 

Энергетические характеристики электрохимических конденсаторов

Сравним электрические характеристики сборок электрохимических конденсаторов (ЭХК) двух Российских производителей, фирм Maxwell и Wima (Германия) помещенных в таблицу 2:
 

Тип системы 620ИКЭ108/400
 ТехноКор
120BMOD0063-Р125
Maxwell
100х10ЭК303
 ЭЛТОН
SuperCap MC
Wima
(Германия)
Диапазон рабочих напряжений, В 800-400 810-405 800-400 14
Емкость, Ф 150 /300 92/190 180/360 110
Запасаемая энергия, МДж 50,2 51,7 57,6 10 кДж
Максимальная мощность, МВт 57,1 30,4 3,6 5,6 -19,6 кВт
Масса, т 24,3 6,95 3,4 1,7 кг
Габаритный объем, м3 30,4 11,9 2,3 325×60×90 мм
Отдаваемая энергия МДж 50
при мощности 350 кВт
51
при мощности 350 кВт
51
при мощности 350 кВт
8 кДж
Уд. отдаваемая энергия, кДж/кг 2 7 15 4,7
Рабочая температура, °С -45/+50 -40/+65 -50/+70 -30…65°С
Вспомогательное оборудование Нет Система выравнивания
напряжения элементов
Нет Нет
Электролит Водный 600 л. ацетонитрила, ядовит Водный н.д.
Цена опытного образца с учетом НДС, млн. руб. 15,5 24,0 10,2 н.д.



 

Запасаемая энергия и мощность ЭХК могут быть оценены по формулам:

E = CU2/2   (Дж)

и

P = U2/4R  (Вт)

 

где: С – ёмкость ЭХК в Фарадах, U – напряжение на электродах ЭХК в Вольтах, R – эффективное последовательное сопротивление в Омах.

Внутреннее омическое сопротивление силовых ЭХК при +25 °С, имеет порядок величины 5 — 15 мОм.

Имеются отличия в частотных характеристиках обычных конденсаторов и ЭХК. У ЭХК имеется дополнительная составляющая сопротивления потерь
EDR – эквивалентное распределенное сопротивление,
определяемое ионными токами, поэтому падает со временем (на ВЧ максимально). Его можно объяснить инерционностью ионов.

Подробнее см. [Ссылки.3]

Предлагаемые производителями модели ЭХ конденсаторов

 

ТехноКор

КСП - Конденсаторная система пуска дизелей тепловозов с молекулярными накопителями энергии (ЭХК)

 

Технические характеристики Таблица 3.
Параметр КСП-75-2 КСП-75-3 КСП-110-2 КСП-110-3
Количество конденсаторов 2 3 2 3
Напряжение заряда, Вном/пред 75/85 75/85 110/125 110/125
Емкость, Ф 50 75 18 27
Ток заряда, А 50-200 100-300 50-200 100-300
Ток нагрузки, А 500-2000
Сопротивление изоляции не менее 5 МОм
Условия эксплуатации – М25 по ГОСТ 17516.1 на высоте над уровнем моря до 2000 м
Климатическое исполнение – У2 по ГОСТ 15150-69
Гарантийный срок хранения – 4 года ,эксплуатации – 3 года.

 

 

ЭСМА

Конденсаторные модули для пуска двигателей внутреннего сгорания автотранспортных средств c 12 В электрической системой (таблица 4):

Тип конденсаторного модуля Емкость, Ф Диапазон рабочих напряжений, В Максимальная мощность, кВт Запасаемая энергия в диапазоне  напряжений, кДж Внутреннее омическое сопротивление при +25 °С
(-30° С), мОм
14.5-4 В 13-6.5 В
10ЭК104 S 1 14.5-4 8.7 30 20 6 (9)
10ЭК402 S 2,8 14.5-4 17.5 95 60 3 (4)
20ЭК402 S 5,6 14.5-4 35.0 190 120 2 (3)
10ЭК501 S 1,6 14.5-4 17.5 55 35 3 (5)
20ЭК501 S 3,3 14.5-4 35 110 70 2 (3)

 

Конденсаторные модули для пуска двигателей внутреннего сгорания автотранспортных средств c 24 В электрической системой (таблица 5):

Тип конденсаторного модуля Емкость, Ф Диапазон рабочих напряжений,
В
Максимальная мощность,
кВт
Запасаемая энергия в диапазоне  напряжений, кДж Внутреннее омическое сопротивление при +25 °С
(-30 °С), мОм
29-8 В 26-13 В
20ЭК104 S 0,47 29-8 17.5 60 40 12 (18)
20ЭК402 S 1,4 29-8 35 190 120 6 (8)
20ЭК501 S 0,82 29-8 35 110 70 6 (9)


 

Конденсаторные модули для гибридного транспорта и для автомобилей с 42 В электрической системой (таблица 6):

Тип конденсаторного модуля Емкость, Ф Диапазон рабочих напряжений,
В
Максимальная мощность,
кВт
Запасаемая энергия в диапазоне  рабочих напряжений,
кДж
Внутреннее омическое сопротивление при
+25 °С, мОм
30ЭK104 H 0,18 45-12 28 100 18
30ЭК402 H 0,56 45-12 56 310 9
30ЭК405 H 0,67 45-12 34 370 15
30ЭК501 H 0,33 45-12 56 180 9


 

Конденсаторные модули для электротранспорта (таблица 7):

Модуль Емкость, Ф Диапазон рабочих напряжений,
 В
Запасаемая энергия,
МДж
Отдаваемая энергия при разряде током 50 А при +25 °С,
МДж
Внутреннее омическое сопротивление при +25 °С
(-30 °С), мОм
30ЭК204 T 7,9 48-24 2.3 2.0 15 (30)
30ЭК353 T 7,9 48-24 2.3 2.0 15 (30)


 

Технические характеристики ЭХК в два раза выше, чем у кислотных аналогов. В числе главных достоинств – большая емкость отдачи энергии и способность в течение всего 10-15 минут вновь накапливать ее, подзарядившись даже от разряженного аккумулятора. Конденсатор в считанные секунды запускает двигатель.

В отличие от обычного аккумулятора, срок службы электрохимического конденсатора составляет десять лет, он дает от пятисот тысяч до одного миллиона циклов «заряд - разряд». Но самостоятельно конденсатор не используется, их собирают в компактные модули, состоящие из взаимозаменяемых пакетов, и устанавливают в машине параллельно аккумулятору.

 

Научно Производственное Объединение «ТехноКор»*

ЭХК НПО ТехноКор  относятся к классу симметричных двойнослойных суперконденсаторов биполярной конструкции в герметичном корпусе на основе активированных углей в связанном водном щелочном электролите. Емкость ЭХК НПО ТехноКор  обеспечивается использованием двойного электрического слоя на межфазной поверхности электрод - электролит.

анная система обладает достаточно высокими энерго - мощностными характеристиками для эффективного применения в качестве быстро заряжаемого импульсного источника тока с рабочим напряжением заряда до 500 В и практически неограниченным количеством циклов заряд - разряд.

Номенклатура ЭХК НПО ТехноКор включает более 30 моделей изделий со  следующими диапазонами параметров и типовыми эксплуатационными характеристиками (таблица 8):

 

Параметр Величина
Электрическая емкость, Ф 0,1 – 500
Напряжение заряда, В 12 – 500
Энергия, кДж 5 – 150
Ток разряда, А 0,5-5000
Мощность импульсного разряда, кВт до 50
Удельная энергия, кДж/дм3 1-5
Температурный диапазон, °С - 45 - +60
Срок службы, лет  до 15

 
 
Устойчивы к воздействию токов К.З., перенапряжений и переполюсовок,
Малое время заряда, неограниченное количество циклов заряд – импульсный разряд,
Конструкция корпуса ЭХК НПО ТехноКор имеет форму цилиндра, выполнен из коррозионно стойкого металла,  герметичен, вибро - ударопрочен, пожаро - взрывобезопасен, не содержит токсичных веществ, пространственное положение -  произвольное, токовыводы "плюс" и "минус" изолированы от корпуса,
Допускается последовательное и параллельное соединение МНЭ в батарее,
Не требуют обслуживания при эксплуатации.
                                                                                             

Серийно  производятся модельные ряды ЭХК НПО ТехноКор с напряжением заряда:


  
«12 В» - емкостью 90, 120, 145, 240, 270, 320, 360, 660 Ф;  

«24 В»  - емкостью 12, 20, 55, 70, 100, 120, 140, 160, 180, 210 Ф;

«64 В»  - емкостью 25 Ф;

«96 В» - емкостью 9 Ф – для применения в системах пуска двигателей внутреннего сгорания мощностью до 2000 л.с. автотракторной, бронетанковой техники, маневровых и магистральных тепловозов, дизельных электростанций, а также стабилизации бортового напряжения и в модулях гарантированного питания;

Высоковольтные ЭХК НПО ТехноКор с напряжением заряда 110, 120, 150, 160, 175, 200, 250, 300, 325, 350, 420 В и энергозапасом от 10 до 110 кДж - применяются для питания электропривода выключателей, системах бесперебойного питания, для разгона и рекуперации энергии торможения электротранспортных средств, в составе  импульсных установок  большой энергии и мощности (мДж/МВт).
 

* Информация как Вы видите самая общая, найти более подробной в Интернет не удалось, мой запрос Главному конструктору А.Ф. Герасимову получен ответ: Ознакомьтесь, пожалуйста с информацией на сайте rusbat.com  в разделе ЗАО НПО ТехноКор. Эти данные и приведены. Просьба дать дополнительную информацию осталась без ответа. Поэтому не воспринимайте данную информацию как рекламу, возможно у ЗАО НПО ТехноКор трудный период.

 
Рекомендации НПО ТехноКор по применению ЭХК (Молекулярных Накопителей Энергии)
в автономных и мобильных системах

Некоторые примеры применения серийно выпускаемых ЭХК НПО ТехноКор для автономных мобильных системах с номинальным напряжением 12, 24, 28, 64, 75, 300, 350 и 420 В представлены в таблице 1.

Параметры данной группы МНЭ при номинальном напряжении заряда находятся в пределах: энергия  30-95 кДж; удельная энергия  0,8-2,2 Дж/г (1,7-5 Дж/см3); удельная пиковая мощность при разряде на согласованную нагрузку 0,85-2,4 Вт/г (1,7-5,4Вт/см3).

Таблица 9

Базовая номенклатура МНЭ для применения в автономных системах

№п.п Область применения Параметры ЭХК НПО ТехноКор Особенности
эксплуатации
1 Бортовые системы пуска
дизелей тяжелых грузовиков
(МАЗ, БелАЗ, УралАЗ, КамАЗ)
0-30В,100-220Ф,
30-63кДж (при24В),
0,005-0,003 Ом
+/- 50°С
15 лет
8000 моточасов
2 Конденсаторная система пуска дизелей тепловозов мощностью до 2000 л.с. 75В, 3 x 25Ф, 150кДж(64В), 0,013 Ом,
110В, 2 x 10Ф, 92кДж(96В), 0,040 Ом
12 лет
80 000 пусков
3 Передвижные пусковые устройства серии ППУ-1 для пуска автомобильных двигателей мощностью до 500 л.с. 0-15-30В, 2 x 700Ф,
100кДж (12 или 24В), 0,002 Ом
12 и 24 В, +/- 50°С
15 лет
100 000 пусков
4 Автономные энергоагрегаты
серии АЭ-1 для предпусковой подготовки и запуска дизельных и газотурбинных двигателей мощностью 500 - 2500 л.с.
0-30В,
2 x 180Ф….6 x 240Ф,
140-560кДж (28В), 0,003 Ом
Заряд ЭХК НПО ТехноКор
от ДГУ.
24-29В.
12 лет
5 Мобильное рентгеновское медицинское оборудование 0-420В, 0,65Ф, 57кДж, 0,45 Ом
0-350В, 0,95Ф, 58кДж, 0,35 Ом
0,05-6 с,
7 лет

 

Некоторые особенности применения ЭХК

ЭХК по сути те же конденсаторы и отличаются от других конденсатором только типом изоляции. Поэтому им присущи все свойства конденсаторов.

Его эквивалентная схема приведена на рис. 7.

 


Рисунок 7.

 

Единственным отличием является сопротивление EDR - называемое эквивалентным распределённым сопротивлением (equivalent distributed resistance).

Существуют 3 параметра, существенно влияющих на электрические характеристики ЭХК, как любого другого:

RS = ESR + EDR — общее сопротивление потерь

ESR  – сопротивление потерь (как у обычных конденсаторов)

EDR – эквивалентное распределенное сопротивление, определяемое ионными токами, поэтому падает со временем (на ВЧ максимально)

Ls - индуктивность потерь,

C — собственно емкость ЭХК,

Rp – сопротивление утечки.

 
Импеданс (полное сопротивление) конденсатора с эквивалентной схемой изображенной на рис.1 описывается формулой:

 

 

Поэтому граничной частотой работы ЭХК как и любого другого (например оксидного) является частота на которой Z стремится к RS, или когда  (XL - XC)2 стремится к нулю, а это условие резонанса собственных LC конденсатора.

 

Лишнее подтверждение свойств ЭХК как обычного конденсатора является снижение выходного напряжения на нем под нагрузкой как на обычном конденсаторе. Оно снижается по мере разряда по экспоненциальной кривой.

Это недопустимо в большинстве случаев, поэтому для передачи их напряжения обычному потребителю применяют стабилизирующие преобразователи напряжения — инверторы. Они позволяют довести качество напряжения до уровня принятых стандартов и более полно использовать запасенную в ЭХК энергию.

 

При работе ЭХК в качестве накопительных (буферных) конденсаторов силовых энергосистем, они теряют выходное напряжение до половины от начального - отдавая 75% запасенной в конденсаторе энергии.

E = CU2/2   (Дж)

 

Практика применения конденсаторов вообще, показывает, что при применении в силовых цепях разработчики просто забывают о частотных свойствах цепи с конденсаторами большой емкости. Хотя известно, чем больше емкость такого конденсатора, тем больше влияние на переходные характеристики цепи индуктивности конденсатора и внешней цепи.

Собственный резонанс конденсатора определяется по формуле показанной на рис. 8:

 


Рисунок 8.

 

Для оксидных конденсаторов FSR определяется как частота минимального сопротивления потерь ESR и имеет частоту порядка 50 - 1000 кГц
(См. Л. 10, 11 и рис. 9).

Рисунок 9.

 

То для ЭХК, в связи с его многократно большей емкостью, даже для подобных LS частота минимального ESR много ниже (см. рис. 8). Реально же и индуктивность ЭХК примерно на порядок выше чем у оксидных конденсаторов, что вызвано достаточно большими линейными размерами ЭХК.

При подключении конденсатора к внешней цепи со своей паразитной индуктивностью L, резонансная частота цепи снижается еще больше. Так например для ЭХК емкостью 160 Ф с собственной индуктивностью порядка 250 нГн имеет частоту собственного резонанса около 25 Гц. А при подключении его в цепь с помощью шины или силового провода длиной 2 м резонансная частота цепи уже будет составлять около 9 Гц. Это та частота до которой ЭХК ведет себя как конденсатор, на более высоких частотах будет увеличиваться индуктивная составляющая комплексного сопротивления Z и начиная с некоторой частоты индуктивная составляющая будет преобладать в результате чего  ЭХК потеряет свои емкостные свойства.

Кроме этого, последнее значит, что скорость нарастания тока в цепи нагрузки будет составлять около 0,025 сек.

 

Поэтому цепи включения ЭХК большой емкости и тем более батарей очень большой емкости должны просчитываться с учетом параметров всей цепи, в статическом и переходном (динамическом) режиме, моделироваться и испытываться на натурных моделях.

В противном случае возможны ухудшения характеристик проектируемой системы с ЭХК и нештатные ситуации.

 


Информация для размышлений

Сравним энергетические характеристики ЭХК с другими химическими источниками тока (таблица 10).

Тип накопителя Аккумуляторы ЭХ конденсатор
Показатели Кислотные Щелочные Литий-ионные промышленные экспериментальные
Уд. энергия, Вт*ч/кг 20...40 15...80 80...220 2...10 48- 85
Макс. уд. мощность, Вт/кг 100...300 500...1300 800...3000 1500...12000 2000...21000
Максимальные токи, А
       кратковременный
до 7С* (4 - 10)С* (10 - 20)С* до 5000 > 5000
Ресурс, циклов 100...400 300...2000 500...2500 >106 ориентировочно >106
Срок службы, лет 2...10 2...15 5...10 >20 ор. >20
Раб. температуры,°С -30...+45 -40...+60 -30...+60 -50...+70 ор. -50...+70
КПД,% 70...85 65...80 80...95 >90 ор. >90

* С - емкость аккумулятора в А/ч

 

Из таблицы 10 видны существенные преимущества от применения ЭХК.

И особое внимание хочу обратить на максимальные токи нагрузки, которые ЭХК на порядок выше.

Они отстают только в удельной энергии, но ее можно приблизить к Литий - ионным равной удельной мощности. Для этого необходимо просто поработать над конструкцией. А это только дело времени.
 

Заключение

ЭХК понемногу занимают свое место в современных системах электропитания и энергоснабжения. Пока высокая цена ограничивает их массовое применение, но с ростом объемов их производства цена будет продолжать падать.

Когда их применение станет экономически целесообразным они займут достойное место.

Из Рисунка 1 видно, что за 14 лет удельная стоимость за 1 кДж упала в более чем 220 раз, а за 1Ф емкости ЭХК - в 150 раз и падение продолжается.

Уже сейчас существуют отрасли, где их применение оправдано их характеристиками. В первую очередь они будут применяться там, где заменить ЭХК просто нечем. Это установки требующие больших токов в нагрузке - пусковые системы двигателей внутреннего сгорания. Где их применение облегчает запуск двигателей в холодную погоду, снижая нагрузку на аккумуляторы и продлевая их срок службы. Становится возможным применение менее энергоемких и тяжелых аккумуляторов.

Наиболее оправданно применение ЭХК, в настоящее время, можно считать в:

 - Системах усиления и обработки сигналов низких и инфранизких частот большой мощности, позволяет повысить пиковую мощность систем электропитания на инфранизких частотах. (Но при этом должны учитываться особенности применения ЭХК)

 - Буферных накопители для работы в энергоустановках с меняющейся выходной мощностью для поддержания стабильной выходной мощности (солнечные батареи, ветроэнергетические установки, приливные ГЭС).

 - Буферных накопителях электротранспорта, для повышения его динамических свойств.

 

Распространенная среди "практиков" информация о ДЕГРАДАЦИИ электрохимических конденсаторов, не соответствует данным производителей и является скорее результатом нарушения рекомендованного производителем режима работы.
(разрядкой ниже допустимых напряжений - внимательней читайте инструкции)

 

Буферные накопители позволяют обеспечить устойчивую работу источников электрической энергии ограниченной мощности на меняющуюся нагрузку, что позволит не применять в данных системах источники рассчитанные на пиковую мощность, поскольку последнее снижает их экономическую эффективность.

 

Перспективны применение ЭХК в:

Буферные накопители для работы в энергоустановках с меняющейся выходной мощностью для поддержания стабильной выходной мощности (солнечные батареи, ветроэнергетические установки, приливные ГЭС).

Буферные накопители позволяют обеспечить устойчивую работу источников электрической энергии ограниченной мощности на меняющуюся нагрузку, что позволит не применять в данных системах источники рассчитанные на пиковую мощность, поскольку последнее снижает их экономическую эффективность.

Примером этого может быть высоко динамичный электротранспорт в том числе:

- питающийся по контактным сетям, где применение ЭХК снизит нагрузку на контактную сеть за счет исключения пиковых токов в режиме повышенной нагрузки;

- ЭХК батареи перспективны для применения в средствах транспорта:

  • пусковые - подключаются параллельно аккумуляторной батареи для улучшения пусковых качеств и длительности жизни последней,
  • буферные - для использования в гибридных (в том числе и электрических) средствах транспорта, отличаются относительно низкой емкостью и большой выходной мощностью,
  • тяговые - для применения в качестве основного источника питания электромобиля (правда пока на электротранспорте с небольшой продолжительностью поездок).

На момент описания статьи лучшие характеристики из представленных промышленных образцов ЭХ конденсаторов были заявлены российскими компаниями ЭСМА и ИНКАР-М. Также производятся ЭХ конденсаторов для нужд автотранспорта в Германии компанией Epcos. Следует отметить продукты фирм Maxwell Technologies, NessCap, Panasonic. Интересные разработки ведутся фирмой Evans Capacitor, где создан новый тип ЭХ конденсаторов - гибридные суперконденсаторы.

 

Преимущества и недостатки батарей ЭХК:

 

Преимущества:

  • наибольшая плотность мощности из всех разновидностей аккумуляторов - как объемная, так и весовая,
  • долговечность - свыше 10 лет и 100000 циклов заряда/разряда (уже подтверждена практическим использованием ЭХ конденсаторов),
  • очень быстрый процесс заряда батарей - до 100% емкости от 15 до 40 минут (зависит, в основном, от возможностей зарядного устройства),
  • нет необходимости в обслуживании - ЭХ конденсаторов герметичны,
  • относительно низкий показатель саморазряда - до 10% в месяц,
  • дружественность окружающей среде - большинство ЭХ конденсаторов построены на основе активированного угля, щелочи, гидроксида никеля и никелевых электродов, для ЭХ конденсаторов на основе свинцовых электродов имеется уже отработанная технология переработки,
  • возможность работы при низких температурах без существенного снижения характеристик,
  • простота определения уровня заряда ЭХ конденсаторов - однозначная зависимость от уровня напряжения на конденсаторе.
  • Возможность получения больших пусковых токов.

 

Недостатки:

  • вес - лучшие производимые ЭХ конденсаторов имеют плотность энергии на уровне 10-12 Вт*ч/кг, массовые - 5-6 Вт*ч/кг
  • большое падение напряжения при разряде
  • высокая стоимость, до 10 USD за килоджоуль накопленной энергии, но эта стоимость, в основном, определяется мелкосерийным процессом производства ЭХК, и при росте спроса и появлении настоящей конкуренции может быть уменьшена в 7-10 раз,
  • большая запасаемая энергия в ЭХК требует обратить особое внимание на взрывную или пожарную безопасность объектов где они применяются, и соответственно на конструктивное исполнение объектов с применением ЭХК, а также на качество исполнения электрооборудования, электрозащиты и электрической изоляции цепей управления и нагрузки.
  • Недопустимость снижения напряжения на ЭХК ниже допустимого уровня.

 

Внимание!
Силовые ЭХК поставляются отформатированными (предварительно заряженными) и не допускают разряда более чем 0,5Uном.
В случае их полного разряда нормально зарядить их невозможно.
Это накладывает ограничения на срок их хранения, который определяется запасенной энергией и током саморазряда.

 

Обсудить в ФОРУМЕ  

Ссылки.

  1. Двойной электрический слой на поверхности, http://www.powerinfo.ru/electric-layer.php
  2. СУПЕРКОНДЕНСАТОРЫ СУПЕРКОНДЕНСАТОРЫ: ПРИНЦИПЫ И ПРИМЕНЕНИЯ, Деньщиков КК. denszczikov.pdf
  3. Суперконденсаторы для электроники, ч.1, http://news.cxem.net/articles/circuit_28.php, изложены принципы функционирования суперконденсаторов, показаны конструкции приборов с двойным электрическим слоем и описана технология их изготовления, (СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА № 5 2006), А. Деспотули, А. Андреева (Московская обл.)
  4. Псковский Завод Радиодеталей «Плескава» АВТОМОБИЛЬНЫЕ ИМПУЛЬСНЫЕ КОНДЕНСАТОРЫ СВЕРХВЫСОКОЙ ЭНЕРГОЁМКОСТИ http://www.pleskava.su/avtoprom.htm
  5. Технические характеристики импульсных конденсаторов энергоемких (ИКЭ), ООО МНПО "ЭКОНД", http://www.ekond.mpi.ru/page2.html
  6. Суперконденсаторы для электроники, http://mobipower.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=397
  7. ОАО «Энергия», Электрохимические конденсаторы, http://www.oao-energiya.ru/index.php?option=com_content&view=article&id=56&Itemid=82&lang=ru
  8. Компания ЭСМА, Номенклатура выпускаемых ЭХК для транспорта, http://www.esma-cap.com/Use/Transportation/default.htm
  9. ЗАО "Научно Производственное Объединение "ТехноКор", молекулярные накопители энергии (МНЭ) емкостного типа -  суперконденсаторы фарадного диапазона. http://www.rusbat.com/mem_tehnokart.html
  10. Свойства конденсатора и их влияние на его применение,  июль 2006 - сентябрь 2006 г, А.Сорокин
  11. Оксидные конденсаторы, некоторые особенности применения, 2009, А.Сорокин

     

Подготовил А.Сорокин,

май -июль 2011 г.

  Яндекс.Метрика

<<назад>> <<в начало>> <<на главную>>

Попасть прямо в разделы сайта можно здесь:

/Неизвестный процессор/Охлаждение ПК/Электроника для ПК/Linux/Проекты, идеи/Полезные советы/Разное/
/
Карта сайта/Скачать/Ссылки/Обои/Форум/Каталог/

При полном или частичном использовании материалов ссылка на "www.electrosad.ru" обязательна.
Ваши замечания, предложения, вопросы можно отправить автору через
гостевую книгу или 
почтой.

Copyright © Sorokin A.D.

2002-2012 год