Подключение супер конденсатора к аккумулятору автомобиля. Суперконденсаторы — альтернатива аккумуляторам в беспроводной периферии. Использование двойного электрического слоя

Как только человек придумал самодвижущуюся тележку на паровом двигателе (1768г.), а позже (1886) усовершенствовал мотор до ДВС – у водителя появилась задача не только направлять лошадиные силы в нужную сторону, но и запускать их в работу.

Проблема пуска двигателя в разные времена решалась по-разному. Для парового мотора достаточно было развести огонь под котлом, бензиновые двигатели требовали мышечной силы или химического источника тока.

С появлением аккумуляторов возникла необходимость обслуживания и контроля заряда стартерных батарей, особенно в зимний период. Часто, в помощь штатному АКБ, автовладельцу приходилось использовать внешний источник тока: сетевое пусковое устройство, запасной свинцово-кислотный АКБ, или новинку последних лет компактные пусковые устройства на базе Литий-Полимеров.

Главная проблема химических источников тока – саморазряд и старение. Срок службы классического свинцово-кислотного аккумулятора со свободным электролитом составляет около 3х лет. Гелевые и AGM аккумуляторы «живут» дольше, однако и они не вечны. Даже если АКБ бездействует – в нём происходят химические процессы, которые приводят к постепенной потере ёмкости батареи.

Это замечание верно и для пусковых устройств на основе аккумуляторов, например, средний срок службы Li-Po пускача составляет 3-5 лет, за это время токопроводный гель которым наполнены аккумуляторы твердеет и постепенно теряет свои свойства. Инженеры- конструкторы давно ищут источник тока который мог бы заменить аккумуляторы и избавить автовладельцев от «слабых мест» АКБ.

Речь в данной статье пойдёт о конденсаторах. Точнее о супер-конденсаторах или ионисторах, способных отдавать огромные токи и обладающих рядом преимуществ в сравнении с аккумуляторами. Как заменить АКБ машины на сборку из конденсаторов, конструкторы ещё не придумали, однако инженерам из Carku удалось создать устройство способное помочь в запуске двигателя автомобиля, тот самый ATOM 1750 .

Главное отличие данного аппарата от аккумуляторных аналогов – вечный срок службы ! Если говорить о пусковых устройствах на базе Литий-полимерных или Свинцово-кислотных батарей, то продолжительность их работы ограничена одной-тремя тысячами циклов заряд/разряд. Конденсаторные пускачи обеспечивают до миллиона циклов. Для того, чтобы представить масштаб предположим, что Вы используете ATOM 1750 дважды в день в течение календарного года. Ресурса прибора при такой интенсивности работы хватит (1.000.000: (365х2))= 1млн. : 730= 1369 лет .

Вторая особенность – неприхотливость ионисторов. Для хранения конденсаторных пусковых устройств не нужны особые условия: вы можете положить аппарат в бардачок или под сиденье авто, и вспомнить о нём, только когда аккумулятору машины понадобится помощь. Аппарат – идеальный вариант для забывчивых водителей. Если следить за уровнем заряда батареи нет ни времени ни желания – аппарат можно спокойно хранить в машине в самые лютые холода или в жару.

Третий плюс – наличие встроенного литиевого аккумулятора. Запас энергии, который хранится в полностью заряженной Li-Ion батарее аппарата ёмкостью 6000mAh – сможет зарядить конденсаторы устройства для более чем 6 пусков подряд. Батарея не участвует в пуске, и предназначена только для зарядки конденсаторов. Вот здесь и кроется та самая ложка дёгтя: любой аккумулятор боится глубокого разряда. Если батарею на долгое время оставить без зарядки – АКБ , рано или поздно, выйдет из строя. Саморазряд, свойственный в той или иной мере любому аккумулятору добьёт разряженную батарею. Напоминаем , что профилактическую зарядку неиспользуемой литиевой батареи необходимо проводить 1 раз в пол-года .

Высокие и низкие температуры хранения ускоряют процессы саморазряда и деградации АКБ . Температурный режим хранения встроенного аккумулятора рекомендованный производителем составляет от 0 до +25 С. Впрочем, даже если штатная батарея устройства выйдет из стоя конденсаторы АТОМ 1750 – запитанные от разряженного автомобильного АКБ всё равно смогут запустить двигатель машины.

Плюс номер четыре . Возможность зарядки ионисторов прибора от разряженной АКБ машины. Для пуска двигателя достаточно подключить крокодилы аппарата к клеммам «уставшего » АКБ и уже через 45-60 сек. – автомобиль будет готов к старту.

Более подробно про особенности АТОМ 1750 :

Аппарат представляет собой профессиональный джамп-стартер. В отличие от Li-Po аналогов, пуск двигателя производится не за счёт энергии запасённой в аккумуляторе, а при помощи мощных ультраконденсаторов. Мощности пускача достаточно для запуска бензиновых двигателей объёмом до 5л и для работы с дизельными моторами до 2л .

МОЩЬ

Сборка из пяти ионисторов ёмкостью 350F каждый, выдаёт пусковые токи до 350А , что говорит о широком диапазоне применения данного устройства.

Высокий стартовый ток АТОМ 1750 подкреплён стабильным напряжением, которое выдают конденсаторы. Аппарат обеспечивает заявленный ток на протяжении 3х секунд, что является одним из важнейших условий запуска двигателя.

МОБИЛЬНОСТЬ

Вес пускача составляет 1.3 кг. Для сравнения, схожий по возможностям свинцово-кислотный бустер весит более 6 кг (DRIVE 900 ), а разница в габаритах впечатляет ещё больше.

На боковых гранях АТОМ 1750 расположены:

На передней панели расположен:

Дисплей (1) для отображения рабочих параметров, кнопка «Boost» (2) для заряда ионисторов от встроенного аккумулятора, кнопки включения фонаря и питания устройства (3).

ЗАЩИТА

В качестве силовых кабелей на аппарате используются медные провода сечением 6мм2 , длинной 300 мм.

Интеллектуальный блок, не только защищает пусковое устройство от переполюсовки, короткого замыкания и обратных токов генератора, но и позволяет за несколько минут продиагностировать АКБ машины и вывести результаты проверки на табло.

АТОМ 1750 - подскажет владельцу, что аккумулятор машины нуждается в зарядке, либо, что АКБ – пора заменить на новый.

Если при подключении к аккумулятору машины на экране появляется надпись J UMP START READY – цепь работает в штатном режиме. Можно приступать к пуску двигателя.

Надпись «REVERSED » сообщает о неправильном подключении крокодилов. Следует проверить полярность – красный зажим должен быть соединён с плюсовым контактом АКБ, чёрный с минусовым.

ЗАРЯДКА

Обратите внимание, при подключении АТОМ к источнику тока, сначала заряжаются ультраконденсаторы, затем, начинается зарядка встроенной батареи устройства.

Представим себе ситуацию, когда вокруг никого а запустить двигатель у штатного АКБ машины – не получается.

Первый способ запуска машины с помощьюАТОМ 175 – заключается в зарядке конденсаторов непосредственно от клемм разряженного АКБ автомобиля. После подключения аппарата дожидаемся появления надписи JUMP START READY и запускаем двигатель не снимая крокодилы с клемм. Время зарядки конденсаторов зависит от уровня разряда АКБ и составляет от 45 сек до 2.5мин.

Второй способ зарядки – через гнездо прикуривателя. Атом 1750 можно подключить к бортовой сети с помощью специального переходника из комплекта. Время зарядки около 2 минут.

Третий источник энергии – встроенная батарея прибора. После нажатия на кнопку Boost – аппарат использует энергию запасённую в Литиевом аккумуляторе. Время зарядки – 2-3мин .

Ну и последний вариант зарядки, если под рукой нет иных источников, - придётся искать розетку. С помощью блока питания от мобильной электроники (5V, 2А ) – конденсаторы можно зарядить и от сети.

Ещё один Важный момент. Заряжать Атом 1750 можно не только от собственного разряженного АКБ , но и от ЛЮБОГО автомобиля-донора (большая и маленькая машины – показать). В отличие от «прикуривания» - операция зарядки ионисторов АТОМ 1750 - абсолютно безопасна, и не требует соблюдения никаких условностей, кроме полярности подключения.

ПУСК АВТОМОБИЛЯ

Для того, чтобы приступить к использованию Джамп-стартера хозяину машины следует убедиться, что зажигание автомобиля выключено. При подключении - следует соблюдать полярность: красный кабель устройства соединяется с плюсовой клеммой аккумулятора автомобиля, чёрный с минусовой клеммой.

После подключения можно приступать к запуску двигателя. Если в течение 3х секунд мотор не запустился – следует зарядить конденсаторы ещё раз и повторить попытку.

После того, как двигатель заработал «крокодилы» с клемм аккумулятора следует снять.

ATOM 1750 поставляется в картонной коробке.

В комплекте с аппаратом:

Шнур для зарядки аппарата от прикуривателя автомобиля;

USB-Кабель.

Напоминаем, что одним из условий продолжительной службы аппарата является своевременная зарядка встроенного аккумулятора устройства, поэтому после каждого пуска с использованием энергии аккумулятора – необходимо отправить АТОМ на зарядку. При длительном хранении рекомендуем заряжать устройство до уровня 80-90% один раз в 6 месяцев. Хранить аппарат следует при плюсовой температуре.

Среди последних новинок науки и техники необходимо отметить появление конденсатора нового типа – ионистор, который также называют суперконденсатор. Что же это за зверь, и можно ли его использовать в автомобильном видеорегистраторе и других электронных приборах в качестве резервного источника питания?

Из школьного курса физики известно, что конденсатор может запасать энергию, накапливая заряд электричества. Вот только величина этого заряда очень мала, поэтому его хватает только на хорошую искру при коротком замыкании. Также школьники используют металлобумажные конденсаторы переменного тока на 400…1000 Вольт для того, чтобы лупить друг друга электротоком, предварительно зарядив его в розетке 220 В. А в основном конденсаторы используют как радиокомпонент в электронных приборах.

Но в конце прошлого века в секретных лабораториях был придуман новый тип конденсатора, в котором вместо металлической ленты используется электролит и другие хитрые химические вещества. Благодаря такой конструкции новый тип конденсатора при малых размерах имеет громадную емкость, которую уже можно использовать для накопления заряда, достаточного для кратковременной работы электронных устройств с малым потреблением тока. Он получил название ионистор из-за того, что функционирует благодаря ионному переносу в химической среде между электродами.

В наше время ионисторы используются как резервный источник питания. Например, на Алиэкспресс за 5…10 баксов можно купить 5-вольтовый ионистор, который получает полную зарядку всего за 10…100 секунд. Однако он может питать средний светодиодный фонарик в течение 20…30 минут.

Обзор китайского ионистора

Теперь разберемся, сможет ли суперконденсатор заменить аккумулятор в автомобильном видеорегистраторе? В регике нет компонентов, которые бы потребляют большой ток – сервоприводы, электродвигатели, мощные лампы освещения. Поэтому расход тока достаточно мал – 50…100 мА. Средней паршивости ионистор сможет обеспечить работу видеорегистратора в течение 3…10 минут. Это более чем достаточно, чтобы дописать до конца видеоролик и корректно завершить работу.

Так что, если вы колеблетесь — покупать ли видеорегистратор с суперконденсатором вместо встроенного аккумулятора, то все сомнения напрасны. Этот прибор выполнит все необходимые функции в вашем автомобиле, даже если в случае ДТП будет отключена бортовая сеть. Однако регистратор такого типа нельзя будет использовать как обычную переносную видеокамеру вне салона автомобиля – для уличной видеосъемки потребуется внешний источник питания.

Сергей Асмаков

За последние годы мы привыкли к стремительному темпу развития цифровой техники. Но если одни категории комплектующих (такие как микропроцессоры или модули памяти) действительно совершенствуются с поистине космической скоростью, то по ряду других направлений прогресс не столь заметен. К числу последних относятся перезаряжаемые источники питания. И это, безусловно, создает определенные проблемы, поскольку от характеристик этих компонентов зависят такие важные параметры, как продолжительность автономной работы, время восстановления заряда, а также размеры и вес конечного продукта.

Тонкости выбора источника питания

В настоящее время в портативных электронных устройствах применяются источники питания нескольких различных типов. Такое разнообразие не является капризом разработчиков, а имеет вполне логичное объяснение. Например, в случае мобильных устройств - таких как смартфоны, планшеты или ноутбуки - приоритетное значение имеет удельная энергоемкость (то есть количество запасаемой электроэнергии на единицу объема аккумуляторной батареи). Чем выше этот показатель, тем больше будет емкость батареи при тех же физических габаритах. Таким образом, установка батареи с более высокой удельной энергоемкостью позволит продлить время автономной работы мобильного устройства, не увеличивая его размеры - что крайне важно, учитывая нынешнюю моду на гаджеты в максимально тонких корпусах. Именно поэтому в современных смартфонах и планшетах применяются литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторные батареи, которые на данный момент лидируют в категории малогабаритных перезаряжаемых источников питания по удельной энергоемкости.

Однако при разработке беспроводных периферийных устройств приоритеты будут совершенно иными. Поскольку уровень энергопотребления беспроводных мышей и клавиатур по сравнению с теми же смартфонами невелик, то и острой необходимости в использовании источников питания с рекордно высокой энергоемкостью в этом случае нет. Кроме того, нет и жестких ограничений по массо-габаритным показателям. Таким образом, во многих случаях разработчики делают выбор в пользу пусть не самого компактного, но зато более легкого и/или менее дорогого источника питания.

Не случайно на протяжении уже многих лет наблюдается устойчивая тенденция к увеличению доли беспроводных периферийных устройств, рассчитанных на питание от стандартных батареек формата АА либо ААА. Наиболее очевидными преимуществами данного решения являются доступность и максимальная простота использования. Стандартные элементы питания можно купить практически в любом магазине. Кроме того, при полном разряде батарейки достаточно установить вместо нее новую, и можно сразу же продолжить работу. Не нужны дополнительные кабели, зарядные устройства и т.п. Как говорится, дешево и сердито.

С этих позиций использование аккумуляторных батарей в беспроводных периферийных устройствах выглядит менее удобным. Для подзарядки требуется определенное время (обычно 2-3 часа), и при этом конструкция далеко не всех моделей позволяет продолжать работу при подключении внешнего источника питания. Как следствие, пользователю необходимо следить за индикатором уровня заряда, чтобы беспроводная мышь или клавиатура не отключилось в самый неподходящий момент.

Еще одним фактором, ускорившим процесс перехода производителей беспроводной периферии на питание от батареек, стал значительный прогресс в области снижении уровня энергопотребления электронных компонентов, которого удалось достичь разработчикам в последние годы. Современные модели беспроводных мышей и клавиатур способны проработать на одном комплекте батареек как минимум несколько недель и даже месяцев. Таким образом, менять элементы питания даже при активном использовании приходится нечасто.

Естественно, имеет значение и цена. Установка весьма недешевых литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторов неизбежно приводит к удорожанию устройства. А это крайне важно, когда речь идет о моделях стоимостью порядка 20-30 долл. Кроме того, аккумуляторные батареи упомянутых типов имеют ограниченный ресурс - обычно от 500 до 1000 циклов заряда-разряда. Таким образом, при интенсивном использовании именно ресурс аккумулятора становится критичным фактором, ограничивающим жизненный цикл устройства.

Итак, батарейки дешевы, доступны и удобны. Чем не идеальный вариант для беспроводной клавиатуры или мыши? Однако не будем забывать, что у батареек есть и свои недостатки: они заметно утяжеляют устройства (что может быть критично, если речь идет о беспроводной мыши) и к тому же их пусть и редко, но необходимо время от времени менять. Что же могут предложить разработчики в качестве альтернативного варианта?

Еще не забытое старое

Одним из наиболее перспективных вариантов являются суперконденсаторы или, как их правильнее называть, ионисторы (англоязычные авторы для обозначения этих элементов часто используют аббревиатуру EDLC, которая расшифровывается как Electric double-layer capacitor). Первые образцы суперконденсаторов были созданы более 50 лет тому назад. В настоящее время они применяются в ряде электроприборов (в частности, в карманных фонариках, фотовспышках и пр.) в качестве основных и резервных источников питания. Кроме того, благодаря своим свойствам суперконденсаторы являются идеальным накопителем электроэнергии для систем рекуперации кинетической энергии, которыми оснащаются многие выпускаемые сейчас транспортные средства с электрическими и гибридными силовыми установками.

Важнейшими достоинствами суперконденсаторов в сравнении с литий-ионными и литий-полимерными аккумуляторами являются высокая скорость заряда, эффективность и огромный ресурс.

Суперконденсаторы способны запасать большое количество энергии в течение короткого промежутка времени, что позволяет сократить время подзарядки до минимума. Кроме того, ионисторы характеризуются высокой эффективностью. Если современные литий-ионные аккумуляторы способны отдать лишь порядка 60% электроэнергии, затраченной на их зарядку, то у суперконденсаторов этот показатель превышает 90%.

Еще одно важное преимущество - огромный ресурс. У литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторов существенная деградация (снижение емкости относительно первоначального значения) наблюдается уже после нескольких сотен циклов заряда-разряда. А суперконденсаторы способны выдержать без заметной деградации порядка нескольких десятков тысяч циклов.

В числе прочих преимуществ можно отметить малый удельный вес и экологичность. Благодаря низкой токсичности материалов, из которых изготавливаются ионисторы, их гораздо проще и безопаснее утилизировать, чем литиевые, никель-кадмиевые, никель-металлгидридные и свинцово-кислотные аккумуляторы.

Возможно, здесь у читателей возникнет вполне закономерный вопрос: если уже более полувека известны такие замечательные источники питания, то почему они до сих пор не получили широкого распространения в цифровых устройствах? Дело в том, что наряду с перечисленными выше достоинствами у суперконденсаторов имеются и свои недостатки. Наиболее существенные из них - это довольно низкая удельная энергоемкость, нелинейная кривая разряда, а также большой ток саморазряда.

Показатель удельной плотности запасаемой энергии у современных суперконденсаторов составляет от 7 до 9 Вт ч на литр объема. Для сравнения: у ныне выпускаемых литий-ионных аккумуляторов этот показатель варьируется в пределах 250-400 Вт ч на литр.

Из-за большого тока саморазряда ионисторы не подходят для долговременного хранения электроэнергии. Кроме того, кривая разряда суперконденсаторов нелинейна: напряжение на выходе зависит от оставшегося заряда.

В силу вышеизложенных причин выпускаемые в настоящее время ионисторы непригодны для использования в мобильных устройствах, где первоочередное значение имеет соотношение размеров и энерогоемкости батареи. Однако для беспроводных периферийных устройств суперконденсаторы являются весьма интересной альтернативой одноразовым батарейкам.

В этом случае пригодятся такие свойства ионисторов, как высокая скорость заряда и высокая эффективность. Владельцу беспроводной мыши или клавиатуры не придется ждать 2-3 ч, как в случае устройств с литиевыми аккумуляторами: для восстановления заряда хватит всего нескольких минут. За это время можно накопить запас энергии, которой хватит на несколько часов активной работы, а при не очень интенсивном использовании - даже на целый день. Например, полный цикл заряда оборудованной встроенным суперконденсатором беспроводной мыши Genius DX-ECO, которую мы , составляет всего 5 минут, а накопленной за это время электроэнергии хватает на 4 ч работы.

Конечно, подзаряжать беспроводное устройство, оснащенное ионистором, придется ежедневно (а возможно, даже чаще). Однако, как уже было упомянуто, данная процедура займет всего несколько минут - как раз хватит времени выпить чашечку кофе или просто немного отвлечься от компьютера. А поскольку суперконденсаторы обладают огромным ресурсом, то даже при условии нескольких ежедневных подзарядок срок службы устройства составит не менее десяти лет.

Важным преимуществом суперконденсаторов в сравнении с литиевыми аккумуляторами и обычными батарейками является заметно меньший вес. А это значит, что та же беспроводная мышь, оборудованная ионистором, будет лишь немногим тяжелее проводного аналога.

Перспективы

Итак, суперконденсаторы обладают высокой скоростью заряда и энергоэффективностью, а также огромным ресурсом. Благодаря низкой токсичности материалов их гораздо проще и дешевле утилизировать, чем литиевые аккумуляторы. Такое сочетание свойств делает суперконденсаторы весьма перспективным вариантом для использования в качестве перезаряжаемых источников автономного питания беспроводных периферийных устройств. А что касается необходимости часто подключать кабель для подзарядки, то эту проблему нетрудно решить, применив беспроводное зарядное устройство - тем более, что подобные решения сейчас уже начинают появляться на массовом рынке.

Благодаря внедрению новых материалов в будущем станет возможным создание суперконденсаторов с гораздо более высокой (по сравнению с ныне выпускаемыми) удельной плотностью запасаемой энергии. Большие надежды специалисты возлагают на разработку графеновых суперконденсаторов. Использование этого инновационного материала позволит уже в ближайшее время создать образцы с удельной плотностью запасаемой энергии порядка 60 Вт ч на литр. Конечно, это значительно меньше по сравнению с современными литий-ионными и литий-полимерными аккумуляторами, но уже вполне сопоставимо с характеристиками свинцово-кислотных батарей. И можно не сомневаться в том, что развертывание серийного выпуска графеновых суперконденсаторов позволит значительно расширить сферу применения этих источников питания. Ими можно будет оснащать не только беспроводные манипуляторы и клавиатуры, но и портативные акустические системы, а также источники бесперебойного питания небольшой мощности.

Суперконденсатор, также известный как ультраконденсатор или двухслойный конденсатор, отличается от обычного конденсатора тем, что имеет очень большую емкость. Конденсатор хранит энергию с помощью статического заряда, в противовес электрохимическим реакциям батареи. Применение дифференциального напряжения на положительную и отрицательную пластины заряжает конденсатор. Это похоже на накопление статического заряда при трении. Прикосновение же к пластине конденсатора высвободит энергию.

Существует три типа конденсаторов, основным среди них является электростатический конденсатор с сухим сепаратором. Эта классическая модель конденсатора имеет очень маленькую емкость и в основном используется в радиоэлектронике. Емкость конденсатора измеряется в фарадах и для электростатического колеблется в диапазоне пикофарад (пФ).

Следующий тип конденсатора - электролитический, он обеспечивает более высокую емкость в сравнении электростатическим и оценивается в микрофарадах (мкФ), что в миллион раз больше пикофарада. Сепаратор в таких конденсаторах влажного типа. Как и в электрических батареях, конденсаторы имеют разные полюса, которые необходимо соблюдать при использовании.

Третий тип – это суперконденсатор, его емкость оценивается в фарадах и в тысячи раз больше емкости электролитического. Суперконденсатор используется для хранения энергии, подвергающейся частым циклам заряда/разряда при высоких значениях силы тока и короткой длительности.

Единица измерения емкости фарад, названа так в честь английского физика Майкла Фарадея (1791-1867). Один фарад хранит один кулон электрического заряда при напряжении один вольт. Один микрофарад в миллион раз меньше фарада, а пикофарад в миллион раз меньше микрофарада.

Инженеры General Electric начали экспериментировать с ранней версией суперконденсатора еще в 1957 году, но коммерческого интереса эти разработки не вызвали. В 1966 году Standart Oil заново случайно обнаружили эффект двухслойного конденсатора во время работы с экспериментальными конструкциями топливных элементов. Двухслойная структура значительно улучшала способность накапливать энергию. Технология снова не была коммерциализирована и лишь 1990-х нашла свое применение.

Развитие суперконденсаторов тесно переплетено с технологиями электрохимических источников тока, именно оттуда были позаимствованы специальные электроды и электролит. В то время как основной электрохимический двухслойный конденсатор (EDLC) зависит от электростатического действия, асимметричный двухслойный электрохимический конденсатор (AEDLC) использует батарееподобные электроды для получения более высокой плотности энергии, но это ограничивает его жизненный цикл и наделяет ограничениями, схожими на ограничения электрохимического источника тока. Многообещающим выглядит использование графена в качестве материала электрода, но исследования в этом направлении пока только ведутся.

Было испробовано много типов электродов, и наиболее распространенной системой электрохимического двухслойного суперконденсатора сегодня является версия на основе углерода с органическим электролитом. Неоспоримым преимуществом такого суперконденсатора является простота изготовления.

Все конденсаторы имеют предел напряжения. В то время как электростатический конденсатор является высоковольтным, суперконденсатор ограничен напряжением в 2,5-2,7 В. Повышение значения напряжения выше этого уровня возможно, но негативно сказывается на продолжительности срока службы. Поэтому для получения более высокого напряжения используют последовательное соединение нескольких суперконденсаторов. В свою очередь, последовательное соединение уменьшает общую емкость и увеличивает внутреннее сопротивление. Такое соединение более чем трех конденсаторов требует дополнительной балансировки для избежания перенапряжения отдельной ячейки. Похожим образом реализована система защиты литий-ионного аккумулятора.

Возьмите источник тока с номинальным напряжением 6 В и напряжением отсечки 4,5 В. Если этот источник тока – суперконденсатор, то из-за своего линейного характера разряда он достигнет точки отсечки еще в первой четверти цикла, остальные три четверти энергетического резерва будут недоступными для использования. Можно конечно дополнительно использовать преобразователь напряжения - он позволит пользоваться источником питания и с низким значением напряжения, но это добавляет дополнительные расходы и приводит к потерям энергии. Электрическая же батарея имеет график разряда в виде относительно прямой линии, что позволяет использовать от 90 до 95 % накопленной в ней энергии.

На рисунках 1 и 2 показаны характеристики тока и напряжения при заряде и разряде суперконденсатора. При зарядке напряжение увеличивается линейно, а ток проседает, когда конденсатор полностью зарядился, вследствие этого даже отпадает необходимость использования системы детектирования полного заряда. При разрядке напряжение уменьшается также линейно. Для поддержания постоянного уровня потребляемой мощности при падении напряжения, преобразователь напряжения будет потреблять все большую силу тока. Разряд будет достигнут, когда нагрузочные требования больше не могут быть удовлетворены.

Рисунок 1: Зарядные характеристики суперконденсатора. Напряжение линейно растет при постоянном уровне тока заряда. При полном заполнении конденсатора зарядный ток падает.

Рисунок 2: Разрядные характеристики суперконденсатора. При разряде напряжение снижается линейно. Опциональный преобразователь напряжения может поддерживать определенный показатель напряжения, но это увеличивает показатель силы тока разряда.

Время зарядки суперконденсатора составляет от 1 до 10 секунд. Зарядные характеристики аналогичны характеристикам электрохимических батарей, и в значительной степени ограничены допустимой силой тока зарядного устройства. Суперконденсатор невозможно зарядить сверх его емкости, вследствие этого ему не нужна система детектирования полного заряда - ток просто перестает течь в него.

В таблице 3 сравниваются суперконденсатор и стандартный литий-ионный аккумулятор.

Таблица 3: Сравнение производительности суперконденсатора и литий-ионного аккумулятора.

Суперконденсатор может заряжаться и разряжаться практически неограниченное число раз. В отличии от электрохимической батареи, в которую заложен жизненный цикл определенного размера, суперконденсатор практически нечувствителен к воздействию циклического режима работы. Также слабее на него действуют и возрастные изменения, связанные с деградацией материалов. При нормальных условиях емкость суперконденсатора после 10 лет эксплуатации сохраняется на уровне 80% от номинальной. Но работа с высокими напряжениями может снизить его срок жизни. Также стоит отметить преимущество суперконденсатора по температурным показателях - слабым местом всех электрохимических источников тока.

Саморазряд суперконденсатора значительно выше у обычных конденсаторов и немного превышает показатель электрохимической батареи. Причиной такого высокого саморазряда, главным образом, выступают свойства органического электролита. Для сравнения, суперконденсатор теряет половину запасенной энергии за 30-40 дней, а свинцовые и литиевые аккумуляторы саморазряжаются всего на 5% в месяц.

Применение суперконденсаторов

Суперконденсаторы являются идеальным выбором в случаях, где возникает краткосрочная потребность в питании и есть возможность быстрой зарядки. В противовес этому, электрохимические батареи оптимизированы для обеспечения относительно долгосрочного электропитания. Объединение этих двух систем в гибридный источник питания позволяет использовать сильные стороны каждой. Такие гибриды уже существуют, например, в виде союза суперконденсатора и свинцово-кислотной электрохимической системы .

Суперконденсаторы находят свое применение в системах, где необходимо обеспечение питания продолжительностью от нескольких секунд до нескольких минут, и также могут быть быстро заряжены. Подобными качествами располагает и маховик (инерционный аккумулятор), поэтому суперконденсатор может выступать ему альтернативой в определенных процессах, например, транспортной сфере.

Сегодня продолжаются испытания системы суперконденсаторов мощностью 2 мВт и системы маховиков мощностью 2,5 мВт для обеспечения движения Нью-Йоркской железной дороги (Long Island Rail Road - LIRR). Целью этих испытаний является поиск решения проблемы проседания напряжения при разгоне. Обе системы должны обеспечивать бесперебойную подачу электроэнергии определенной мощности в течение 30 секунд, а также заряжаться за такой же период времени. Главными требованиями являются колебание напряжения в диапазоне не более 10 %, низкие эксплуатационные расходы и долговечность не менее 20 лет. (Пока что больший интерес вызывали маховики, так как считается, что они более прочные и экономичные, но испытания еще продолжаются).

Япония также активно исследует и развивает использование суперконденсаторов. Уже существуют 4 мВт системы, установленные в зданиях, предназначение которых заключается в уменьшении нагрузки на электросети в часы пик. Также существуют системы, обеспечивающие кратковременное электропитание в моменты между отключением электричества и запуском резервных генераторов.

Технологии суперконденсаторов также смогли проникнуть в область электротранспорта. Возможность зарядки за счет сил торможения и способность обеспечения высоких показателей силы тока для ускорения делают суперконденсаторы крайне интересными для гибридных и электрических транспортных средств. Широкий диапазон рабочих температур и долговечность дают преимущество над электрохимическими батареями в этой сфере.

Но недостатки суперконденсаторов, такие как низкая удельная энергоемкость и высокая стоимость, побуждают некоторых разработчиков делать выбор в пользу более емкого аккумулятора за ту же стоимость. В таблице 4 приведены преимущества и недостатки суперконденсаторов.

Для накопления электроэнергии люди сначала использовали конденсаторы. Потом, когда электротехника вышла за пределы лабораторных опытов, изобрели аккумуляторы, ставшие основным средством для запасания электрической энергии. Но в начале XXI века снова предлагается использовать конденсаторы для питания электрооборудования. Насколько это возможно и уйдут ли аккумуляторы окончательно в прошлое?

Причина, по которой конденсаторы были вытеснены аккумуляторами, была связана со значительно большими значениями электроэнергии, которые они способны накапливать. Другой причиной является то, что при разряде напряжение на выходе аккумулятора меняется очень слабо, так что стабилизатор напряжения или не требуется или же может иметь очень простую конструкцию.

Главное различие между конденсаторами и аккумуляторами заключается в том, что конденсаторы непосредственно хранят электрический заряд, а аккумуляторы превращают электрическую энергию в химическую, запасают ее, а потом обратно преобразуют химическую энерию в электрическую.

При преобразованиях энергии часть ее теряется. Поэтому даже у лучших аккумуляторов КПД составляет не более 90%, в то время, как у конденсаторов он может достигать 99%. Интенсивность химических реакций зависит от температуры, поэтому на морозе аккумуляторы работают заметно хуже, чем при комнатной температуре. Кроме этого, химические реакции в аккумуляторах не полностью обратимы. Отсюда малое количество циклов заряда-разряда (порядка единиц тысяч, чаще всего ресурс аккумулятора составляет около 1000 циклов заряда-разряда), а также «эффект памяти». Напомним, что «эффект памяти» заключается в том, что аккумулятор нужно всегда разряжать до определенной величины накопленной энергии, тогда его емкость будет максимальной. Если же после разрядки в нем остается больше энергии, то емкость аккумулятора будет постепенно уменьшаться. «Эффект памяти» свойственен практически всем серийно выпускаемым типам аккумуляторов, кроме, кислотных (включая их разновидности - гелевые и AGM). Хотя принято считать, что литий-ионным и литий-полимерным аккумуляторам он не свойственнен, на самом деле и у них он есть, просто проявляется в меньшей степени, чем в других типах. Что же касается кислотных аккумуляторов, то в них проявляется эффект сульфатации пластин, вызывающий необратимую порчу источника питания. Одной из причин является длительное нахождение аккумулятора в состоянии заряда менее, чем на 50%.

Применительно к альтернативной энергетике «эффект памяти» и сульфатация пластин являются серьезными проблемами. Дело в том, что поступление энергии от таких источников, как солнечные батареи и ветряки, сложно спрогнозировать. В результате заряд и разряд аккумуляторов происходят хаотично, в неоптимальном режиме.

Для современного ритма жизни оказывается абсолютно неприемлемо, что аккумуляторы приходится заряжать несколько часов. Например, как вы себе представляете поездку на электромобиле на дальние расстояния, если разрядившийся аккумулятор задержит вас на несколько часов в пункте зарядки? Скорость зарядки аккумулятора ограничена скоростью протекающих в нем химических процессов. Можно сократить время зарядки до 1 часа, но никак не до нескольких минут. В то же время, скорость зарядки конденсатора ограничена только максимальным током, который дает зарядное устройство.

Перечисленные недостатки аккумуляторов сделали актуальным использование вместо них конденсаторов.

Использование двойного электрического слоя

На протяжении многих десятилетий самой большой емкостью обладали электролитические конденсаторы. В них одной из обкладок являлась металлическая фольга, другой - электролит, а изоляцией между обкладками - окись металла, которой покрыта фольга. У электролитических конденсаторов емкость может достигать сотых долей фарады, что недостаточно для того, чтобы полноценно заменить аккумулятор.

Большую емкость, измеряемую тысячами фарад, позволяют получить конденсаторы, основанные на так называемом двойном электрическом слое. Принцип их работы следующий. Двойной электрический слой возникает при определенных условиях на границе веществ в твердой и жидкой фазах. Образуются два слоя ионов с зарядами противоположного знака, но одинаковой величины. Если очень упростить ситуацию, то образуется конденсатор, «обкладками» которого являются указанные слои ионов, расстояние между которыми равно нескольким атомам.

Конденсаторы, основанные на данном эффекте, иногда называют ионисторами. На самом деле, этот термин не только к конденсаторам, в которых накапливается электрический заряд, но и к другим устройствам для накопления электроэнергии - с частичным преобразованием электрической энергии в химическую наряду с сохранением электрического заряда (гибридный ионистор), а также для аккумуляторов, основанных на двойном электрическом слое (так называемые псевдоконденсаторы). Поэтому более подходящим является термин «суперконденсаторы». Иногда вместо него используется тождественный ему термин «ультраконденсатор».

Техническая реализация

Суперконденсатор представляет собой две обкладки из активированного угля, залитые электролитом. Между ними расположена мембрана, которая пропускает электролит, но препятствует физическому перемещению частиц активированного угля между обкладками.

Следует отметить, что суперконденсаторы сами по себе не имеют полярности. Этим они принципиально отличаются от электролитических конденсаторов, для которых, как правило, свойственна полярность, несоблюдение которой приводит к выходу конденсатора из строя. Тем не менее, на суперконденсаторах также наносится полярности. Связано это с тем, что суперконденсаторы сходят с заводского конвейера уже заряженными, маркировка и означает полярность этого заряда.

Параметры суперконденсаторов

Максимальная емкость отдельного суперконденсатора, достигнутая на момент написания статьи, составляет 12000 Ф. У массово выпускаемых супероконденсаторов она не превышает 3000 Ф. Максимально допустимое напряжение между обкладками не превышает 10 В. Для серийно выпускаемых суперконденсаторов этот показатель, как правило, лежит в пределах 2,3 – 2,7 В. Низкое рабочее напряжение требует использование преобразователя напряжения с функцией стабилизатора. Дело в том, что при разряде напряжение на обкладках конденсатора изменяется в широких пределах. Построение преобразователя напряжения для подключения нагрузки и зарядного устройства являются нетривиальной задачей. Предположим, что вам нужно питать нагрузку с мощностью 60 Вт.

Для упрощения рассмотрения вопроса пренебрежем потерями в преобразователе напряжения и стабилизаторе. В том случае, если вы работаете с обычным аккумулятором с напряжением 12 В, то управляющая электроника должна выдерживать ток в 5 А. Такие электронные приборы широко распространены и стоят недорого. Но совсем другая ситуация складывается при использовании суперконденсатора, напряжение на котором составляет 2,5 В. Тогда ток, протекающий через электронные компоненты преобразователя, может достигать 24 А, что требует новых подходов к схмотехнике и современной элементной базы. Именно сложностью с построением преобразователя и стабилизатора можно объяснить тот факт, что суперконденсаторы, серийный выпуск которых был начат еще в 70-х годах XX века, только сейчас стали широко использоваться в самых разных областях.

Суперконденсаторы могут соединяться в батареи с использованием последовательного или параллельного соединения. В первом случае повышается максимально допустимое напряжение. Во втором случае - емкость. Повышение максимально допустимого напряжения таким способом является одним из способов решения проблемы, но заплатить за нее придется снижением емкости.

Размеры суперконденсаторов, естественно, зависят от их емкости. Типичный суперконденсатор емкостью 3000 Ф представляет собой цилиндр диаметром около 5 см и длиной 14 см. При емкости 10 Ф суперконденсатор имеет размеры, сопоставимые с человеческим ногтем.

Хорошие суперконденсаторы способны выдержать сотни тысяч циклов заряда-разряда, превосходя по этому параметру аккумуляторы примерно в 100 раз. Но, как и у электролитических конденсаторов, для суперконденсаторов стоит проблема старения из-за постепенной утечки электролита. Пока сколь-нибудь полной статистики выхода из строя суперконденсаторов по данной причине не накоплено, но по косвенным данным, срок службы суперконденсаторов можно приблизительно оценить величиной 15 лет.

Накапливаемая энергия

Количество энергии, запасенной в конденсаторе, выраженное в джоулях:

где C - емкость, выраженная в фарадах, U - напряжение на обкладках, выраженное в вольтах.

Количество энергии, запасенной в конденсаторе, выраженное в кВтч, равно:

Отсюда, конденсатор емкостью 3000 Ф с напряжением между обкладками 2,5 В способен запасти в себе только 0,0026 кВтч. Как это можно соотнести, например, с литий-ионным аккумулятором? Если принять его выходное напряжение не зависящим от степени разряда и равным 3,6 В, то количество энергии 0,0026 кВтч будет запасено в литий-ионном аккумуляторе емкостью 0,72 Ач. Увы, весьма скромный результат.

Применение суперконденсаторов

Системы аварийного освещения являются тем местом, где использование суперконденсаторов вместо аккумуляторов дает ощутимый выигрыш. В самом деле, именно для этого применения характерна неравномерность разрядки. Кроме этого, желательно, чтобы зарядка аварийного светильника происходила быстро, и чтобы используемый в нем резервный источник питания имел большую надежность. Источник резервного питания на основе суперконденсатора можно встроить непосредственно в светодиодную лампу T8. Такие лампы уже выпускаются рядом китайских фирм.

Как уже отмечалось, развитие суперконденсаторов во многом связано с интересом к альтернативным источникам энергии. Но практическое применение пока ограничено светодиодными светильниками, получающими энергию от солнца.

Активно развивается такое направление как использование суперконденсаторов для запуска электрооборудования.

Суперконденсаторы способны дать большое количество энергии в короткий интервал времени. Запитывая электрооборудование в момент пуска от суперконденсатора, можно уменьшить пиковые нагрузки на электросеть и в конечном счете уменьшить запас на пусковые токи, добившись огромной экономии средств.

Соединив несколько суперконденсаторов в батарею, мы можем достичь емкости, сопоставимой с аккумуляторами, используемыми в электромобилях. Но весить эта батарея будет в несколько раз больше аккумулятора, что для транспортных средств неприемлемо. Решить проблему можно, используя суперконденсаторы на основе графена, но они пока существуют только в качестве опытных образцов. Тем не менее, перспективный вариант знаменитого «Ё-мобиля», работающий только от электричества, в качестве источника питания будет использовать суперконденсаторы нового поколения, разработка которых ведется российскими учеными.

Суперконденсаторы также дадут выигрыш при замене аккумуляторов в обычных машинах, работающих на бензине или дизельном топливе - их использование в таких транспортных средствах уже является реальностью.

Пока же самым удачным из реализованных проектов внедрения суперконденсаторов можно считать новые троллейбусы российского производства, вышедшие недавно на улицы Москвы. При прекращении подачи напряжения в контактную сеть или же при «слетании» токосъемников троллейбус может проехать на небольшой (порядка 15 км/ч) скорости несколько сотен метров в место, где он не будет мешать движению на дороге. Источником энергии при таких маневрах для него является батарея суперконденсаторов.

В общем, пока суперконденсаторы могут вытеснить аккумуляторы только в отдельных «нишах». Но технологии бурно развиваются, что позволяет ожидать, что уже в ближайшем будущем область применения суперконденсаторов значительно расширится.

Алексей Васильев