1. суперконденсатори Ioxus
2. висновок

Ультраконденсатори (іоністори) з їх високою питомою ємністю і щільністю зберігається енергії є прекрасною альтернативою електрохімічним акумуляторів. Широка лінійка одиночних ультраконденсаторів і їх збірок, що випускається компанією Ioxus, ідеальна для застосування в енергетиці (в тому числі - альтернативної), на електротранспорті, в системах безперебійного електроживлення і в системах рекуперації енергії.

Широке застосування в техніці отримали електрохімічні акумулятори енергії, починаючи від традиційних свинцево-кислотних та закінчуючи новітніми різновидами літієвих систем. Однак усім цим акумуляторам притаманні серйозні недоліки: обмежений термін служби при циклічній роботі (від декількох десятків до декількох тисяч циклів зарядів і розрядів), порівняно невелика питома потужність (причому при збільшенні потужності відчутно знижуються енергоємність, коефіцієнт повернення енергії і ресурс), значне погіршення характеристик при негативних температурах, використання в конструкції дефіцитних і екологічно небезпечних матеріалів. Ці недоліки обмежують можливості і області застосування електрохімічних акумуляторів, погіршують технічні та економічні параметри систем, в яких вони використовуються.

Привабливою альтернативою акумуляторів є суперконденсатори (ультраконденсатори, іоністори). Вони використовують накопичення електричної енергії в подвійному електричному шарі, що виникає на кордоні рідкого електроліту і твердого електрода. У порівнянні з іншими типами електричних конденсаторів, ультраконденсатори мають на кілька порядків більші питому електричну ємність і щільність збереженої енергії. У класичному варіанті конструкції суперконденсатора заряд і розряд не супроводжується протіканням електрохімічних реакцій, тому помітної деградації матеріалів не відбувається, і ресурс може перевищувати мільйон циклів. Основним обмежувачем терміну служби суперконденсаторів є процес розкладання електроліту при високій температурі і підвищеній напрузі. Однак при дотриманні допустимих, не надто обтяжливих умов експлуатації, суперконденсатори можуть експлуатуватися протягом десятків років, не вимагаючи спеціального обслуговування. При негативних робочих температурах, аж до -40 ° С, характеристики ультраконденсатори, хоча і дещо погіршуються, залишаються досить хорошими для застосування. Пікова питома потужність суперконденсаторів може досягати декількох десятків кіловат на кілограм їх ваги або на літр об'єму, що далеко перевершує можливості електрохімічних акумуляторів. У тривалому режимі роботи допустима питома потужність заряду і розряду ультраконденсаторів становить (500 ... 1500) Вт / кг. Таким чином, вони є найкращим варіантом для акумулювання і рекуперації електричної енергії при тривалості від доль до декількох сотень секунд. В цілому ряді застосувань ультраконденсатори можуть ефективно комбінуватися з електролітичними конденсаторами, забезпечуючи підвищену енергоємність, або з електрохімічними акумуляторами, значно покращуючи питому потужність (особливо на морозі) і ціклостойкость накопичувача.

суперконденсатори Ioxus

Компанія Ioxus є одним з провідних постачальників високоякісних ультраконденсаторів, переважно для силових застосувань, які вирізняються високими електричної ємністю, енергоємністю і потужністю. Суперконденсатори Ioxus випускаються у вигляді окремих елементів в корпусах циліндричної форми під торговою маркою iCAP®, а також в форматі різних збірок (модулів) iMOD®. Модулі комплектуються з циліндричних елементів або спеціальних елементів призматичної форми THiNCAP ™.

Номінальна робоча напруга елементів-ультраконденсаторів Ioxus становить 2,7 В. При такій напрузі і робочій температурі 25 ° С гарантується термін служби елемента не менше 10 років із збереженням не менше 80% початкової ємності і не більше ніж дворазовим збільшенням внутрішнього опору. Якщо температура застосування ультраконденсатори перевищує 25 ° С (а максимально допустима робоча температура становить 65 ° С), необхідно або зменшити робочу напругу в порівнянні з номінальним значенням, або погодитися зі зменшенням терміну служби (при 65 ° С і номінальному напрузі гарантований термін служби складає 1000 годин). Крім того, гарантується, що після мільйона циклів заряду і розряду ультраконденсатори в діапазоні (0,5хUНОМ ... UНОМ) при температурі 25 ° С, його деградація не перевищить вищевказаного рівня (С ≥ 0,8хСНОМ, ESR ≤ 2хESRНОМ). Гарантійний термін зберігання суперконденсаторів в розрядженому стані при 25 ° С становить 4 роки. Важливо пам'ятати, що сильний негативний вплив на термін служби ультраконденсаторів надає саме одночасний вплив підвищених значень температури і напруги: обидва чинники впливають експоненціально і мультиплікативно. Тому, якщо потрібно забезпечити великий термін служби, не слід допускати тривалого одночасного впливу максимально допустимих температури і напруги. В умовах, коли тільки один з цих факторів знаходиться на максимумі, швидкість деградації ультраконденсатори значно знижується. Зокрема, короткочасно допускається підвищення напруги вище номінальної величини - до 2,85 В. Оскільки енергоємність і потужність ультраконденсаторів серйозно поліпшуються з ростом максимального значення напруги при заряді, доцільно по можливості піднімати напругу і обмежувати їх робочу температуру: захищати від зовнішніх теплових потоків, покращувати тепловідвід від корпусу елемента, особливо використовуваного з великими робочими струмами.

Основні технічні параметри суперконденсаторів циліндричної форми, що випускаються компанією Ioxus, представлені в таблиці 1. Зовнішній вигляд деяких з них показаний на малюнках 1 і 2.

Мал. 1. ультраконденсатори типу RSC2R7357SR
в корпусі «snap-in»

Мал. 2. ультраконденсатори типу iRB1250K270CT
Titan ™

За даними таблиці 1 видно, що деякі типи ультраконденсаторів оптимізовані для отримання максимально-можливої ​​енергоємності, а інші - на мінімальне значення ESR і, відповідно, максимальну потужність. Це додатково дає користувачеві свободу вибору при оптимізації свого проекту застосування накопичувача. Ультраконденсатор типу iRB1250K270CT, який отримав спеціальну торгову марку Titan, відрізняється особливо високими характеристиками і надійністю при підвищених робочих температурах.

Таблиця 1. Ультраконденсатори Ioxus циліндричної форми *

Параметри Найменування RSC2R7107SR RSC2R7357SR RSC2R7357S4 RSC2R7128LR RSC2R7208LR RSC2R7308LR iRB1250K270CT Номінальна ємність, Ф 100 332 350 1200 2000 3000 1250 ESR (1 кГц), мом, не більше 4,4 3,1 2,4 0,25 0,22 0,22 0, 22 ESL (довідково), нГн 120 150 150 60 60 60 60 Тривало-допустимий струм (при перегріванні 20 ° С), А 13 24 24 115 126 139 120 Піковий струм
(1 с), А 97 248 243 1200 1900 2700 1800 Струм К.З., кА 0,6 1 0,75 10,5 13,5 15,5 12 Енергоємність, Вт • год 0,101 0,354 0,35 1,21 2,02 3,03 1,25 питома енергія, Вт • год / кг 5,3 5,6 5,4 4,3 5,5 6,3 4,4 Пікова питома потужність на узгоджене навантаження, кВт / кг 25 11 10 32 27 23 28 Реальна питома потужність, кВт / кг 9,9 4,9 4,9 11,9 11,2 10,1 12 Тепловий опір «корпус-навколишнє середовище», ° С / Вт 22 11 10 5 4, 5 4 4,5 Діаметр
корпусу, мм 22 + 1 35 + 1 35 + 1 60,7 60,7 60,7 60,7 Довжина
корпусу, мм 46 61 62 80 108,1 144 80 Маса, г 20 66 66 295 390 510 290 Струм витоку, мА, не більше 0,27 1 1 2 4,2 5 1

Примітки:

1. Номінальна напруга для всіх типів: 2,7 В.

2. Максимально-допустима короткочасна напруга: 2,85 В.

3. Діапазон допустимих робочих температур: -40 ... 65 ° С для всіх типів, крім iRB1250K270CT. Для iRB1250K270CT - -40 ... 85 ° С.

4. Діапазон допустимих температур зберігання в розрядженому стані: -40 ... 70 ° С для всіх типів, крім iRB1250K270CT. Для iRB1250K270CT - -40 ... 90 ° С.

5. Ультраконденсатори RSC2R7107SR і RSC2R7357SR випускаються в корпусі з заклепувальний висновками «snap-in», RSC2R7357S4 - в аналогічному корпусі зі збільшеним до чотирьох кількістю висновків, інші - в корпусі з гвинтовим кріпленням і звареними внутрішніми з'єднаннями.

Мал. 3. призматичний ультраконденсатор
типу THiNCAP ™ для модулів з високим робо
чим напругою 54 ... 216 В

У багатьох застосуваннях робоча напруга накопичувача повинно бути більше, ніж максимально допустиме значення для одного елемента-суперконденсатора. В цьому випадку їх з'єднують в послідовний ланцюг, і повне напруга накопичувача приблизно рівномірно розподіляється між окремими елементами. Однак ряд факторів заважають точному вирівнюванню напружень на елементах. Розкид реальних значень струмів витоку призводить до нерівномірності розподілу в сталих режимах роботи. Простим і досить ефективним засобом подолання цієї проблеми є шунтування кожного елемента-суперконденсатора резистором, що має опір Rш = 0,1 х (UНОМ / IУТ МАКС) з точністю не гірше 1%. Крім того, необхідно ввести проектний запас на нерівномірність розподілу напруги: прийнятним вважається п'ятивідсотковий запас по напрузі в порівнянні з одиночним застосуванням ультраконденсатори. Додатково може бути передбачений захист від аномального підвищення напруги на кожному з елементів або на парі послідовно включених елементів. Ioxus пропонує комплект iKIT60MM2V7A2S, що забезпечує балансування і захисний функціонал, а також силові межсоединения (струми до 1000 А) при послідовному включенні до шести елементів-суперконденсаторів. У разі інтенсивно протікаючих процесів заряду і розряду накопичувача, що складається з великого числа послідовно з'єднаних ультраконденсаторів з великим діапазоном зміни напруги, проблему створює розкид значень ємностей елементів. Ультраконденсатори з меншими значеннями ємностей при заряді накопичувача одержують відносно великі прирости напруги і можуть потрапляти в область небезпечних значень напруги, що сприяють прискореної деградації. Це проявляється, в тому числі, в подальшому зниженні ємностей цих елементів і збільшенні проблеми. Для таких застосувань пасивної балансування напруг шунтирующими резисторами і захисту обмежувачами перенапруг може бути недостатньо. Тоді застосовується селективна збірка з підбором ультраконденсаторів однаковою ємності і / або активні схеми вирівнювання з використанням імпульсних регуляторів напруги. Для користувачів в цьому випадку доцільно орієнтуватися на готові модулі, в яких вищевказані проблеми вирішені виробником.

Ioxus випускає різноманітні модулі суперконденсаторів, які базуються або на елементах циліндричної форми з таблиці 1, або на спеціальних призматичних елементах THiNCAP ™, показаних на малюнку 3. Є два типи ультраконденсаторів THiNCAP ™, один з яких оптимізований на максимальну питому енергоємність, а інший - на максимальну потужність. Це відкриває можливість адаптації параметрів модулів на їх основі для різних вимог застосувань. Крім того, плоска форма елемента забезпечує краще використання обсягу модуля в порівнянні з ультраконденсатори циліндричної форми.

Мал. 4. Модуль ультраконденсаторів производ-
ства Ioxus на базі елементів циліндричної
форми

Мал. 5. Модуль ультраконденсаторів для про-
промислово застосування на базі прізматіче-
ських елементів

У таблиці 2 представлені основні параметри модулів ультраконденсаторів Ioxus. Вони забезпечують роботу при номінальній напрузі від 16 до 162 В. Більш того, при необхідності можливе послідовне включення декількох модулів на напругу до 2000 В. Виконані в різноманітному конструктивному виконанні, модулі забезпечують широкий вибір за номінальною ємності і, відповідно, енергоємності накопичувачів. Зовнішній вигляд деяких типів модулів показаний на малюнках 4 і 5. Високий ступінь захисту модулів - аж до IP67 - і ефективний тепловідвід забезпечують їх надійну роботу в жорстких умовах застосування.

Таблиця 2. Модулі ультраконденсаторів Ioxus

Найменування UНОМ, В СНОМ, Ф IНОМ, А ESR, мом Маса, кг Примітка IMOD016V058PA1M-00A 16 58 19 23 0,76 58F IMOD016V500A22 16,1 500 130 1 5,1 500F IMOD080V012P1M 81 11,7 10 85 3 12F IMOD048V165A22- 01A 48,6 165 85 5 14 165F IMOD048V165A22-01B 48,6 165 112 3,5 14,5 165F IMOD048V165A22-31B 51,3 180 120 5 15,5 165F IMOD081V042P3L-00A 81 41,5 23 22 10 ІБП IMOD081V042P3L- 02A 81 41,5 23 22 10 ІБП IMOD162V021P3L-00A 162 20,8 31 45 23 ІБП iMOD016V200A23 16,2 200 60 1,8 4,3 На базі елементів 1200F iMOD032V100A23 32,4 100 60 3,6 7,6 iMOD048V066A23 48 , 6 66 60 5,4 11 iMOD064V050A23 64,8 50 60 7,2 14,4 iMOD080V040A23 81 40 60 9 17,8 iMOD096V033A23 97,2 33 60 10,8 21,1 iMOD112V028A23 113,4 28 60 12,6 24 , 5 iMOD128V025A23 129,6 25 60 14,4 27,9 iMOD016V333A23 16,2 333 90 1,7 4,3 На базі елементів 2000F iMOD032V166A23 32,4 166 90 3,4 7,6 iMOD048V0111A23 48,6 111 90 5 11 iMOD064V083A23 64,8 83 90 6,7 14,4 iMOD080V066A23 81 66 90 8,4 17,8 iMOD096V055A23 97,2 55 90 10,1 21,1 iMOD112V047A23 113,4 47 90 11,8 24,5 iMOD128V041A23 129,6 41 90 13,4 27,9 iMOD016V500A23 16,2 500 130 1,6 7 На базі елементів 3000F iMOD032V250A23 32,4 250 130 3,1 12 iMOD048V166A23 48,6 166 130 4,7 18 iMOD064V125A23 64,8 125 130 6,2 24 iMOD080V100A23 81 100 130 7,8 29 iMOD096V083A23 97,2 83 130 9,4 35

Найбільш характерні області застосування ультраконденсаторів Ioxus:

• потужні накопичувачі енергії в складі вітроенергетичних установок, сонячних електростанцій та інших відновлюваних джерел енергії;
• транспорт (особливо електротранспорт і транспорт з гібридними силовими установками);
• системи пуску потужних агрегатів;
• джерела безперебійного (резервного) живлення;
• системи рекуперації енергії;
• балансування потужностей в системах електропостачання;
• робототехніка;
• транспортери і інші механізми в промисловості;
• підйомно-транспортні машини і механізми.

висновок

У багатьох важливих областях застосування накопичувачів електричної енергії ультраконденсатори забезпечують значно кращі масогабаритні, вартісні і ресурсні характеристики в порівнянні з акумуляторними батареями. Ioxus поставляє широкий спектр ультраконденсаторів і модулів з відмінними параметрами, що дозволяють підібрати оптимальне рішення для самих різних проектів.