Superkapacitory Prof. Ing. Jaroslav Boušek, CSc. Fakulta elektrotechniky a komunikačních techologií
VUT v Brně
Kapacitor s pevným dielektrikem
Dielektrikum mezi elektrodami Polarizace dielektrika
S C 0 . r d CMAX ~ 10M = 0,00001 F FEKT VUT v Brně
Superkapacitory / J.Boušek
2
Elektrolytický “kondenzátor“
Porézní hliníková elektroda Vrstva Al2O3 Polarizace dielektrika
S C 0 . r d CMAX ~ 10 000 M = 0,01 F FEKT VUT v Brně
Superkapacitory / J.Boušek
3
Superkapacitor
Náboj : Ionty zachycené v porézní elektrodě BEZ CHEMICKÉ REAKCE !!
Electrochemical Double Layer Capacitor (EDLC)
CMAX ~ 10 000 F !!!! FEKT VUT v Brně
Superkapacitory / J.Boušek
4
Srovnání typických hodnot
C
d Q I .d t dU dU
Q C.U
FEKT VUT v Brně
Superkapacitory / J.Boušek
5
Využití energie ze superkapacitoru
Je třeba splnit : 1) Využití veškeré energie v superkapacitoru. 2) Pracovní napětí zařízení je konstantní.
Závěr: Pro nabíjení i vybíjení je nutný měnič.
FEKT VUT v Brně
Superkapacitory / J.Boušek
6
Využití energie ze superkapacitoru
Pracovní napětí zařízení musí být větší než USCmax. Nabíjení “baterie superkapacitorů“, propustný měnič – S2 Vybíjení “baterie superkapacitorů“, blokující měnič – S1 FEKT VUT v Brně
Superkapacitory / J.Boušek
7
Výhody supekapacitorů Nejvýznamnější výhody: - velký (prakticky neomezený) počet cyklů - velmi nízká impedance (sériový odpor)
- nabití ve velmi krátké době - možnost dodání velkého výkonu - vysoká účinnost nabíjecího / vybíjecího cyklu (větší než 95%). - pokud je omezeno max. napětí nehrozí “přebíjení“ - pracuje v rozmezí - 40°C - 65°C
FEKT VUT v Brně
Superkapacitory / J.Boušek
8
Nevýhody supekapacitorů Nejvýznamnější nevýhody : - ve srovnání s Li-ion podstatně dražší - nízká hustota akumulované energie (5 Wh/kg x 120 Wh/kg pro Li-ion ) - při vybíjení klesá napětí – nutný měnič - maximální napětí velmi malé ( 0,9 V vodní elektrolyt / 2,7 V organický elektrolyt) - velké samovybíjení (ve srovnání se standardními akumulátory)
Zapojování do série je komplikováno : - svodovými proudy - nestejnou hodnotou kapacit jednotlivých superkapacitorů
FEKT VUT v Brně
Superkapacitory / J.Boušek
9
Zásady pro použití superkapacitorů Nabíjení - mohou být vybity až do nulového napětí - nevyžadují kontrolované nabíjení Sledované provozní parametry: - maximální provozní napětí - teplota Aktuální stav je určen sériovým odporem (ESR): - diagnostika případného opotřebení - měření krátkým vybíjecím pulsem Napětí je úměrné absorbovanému náboji: - jednoznačně určuje stav nabití - jednoznačné určuje ukončení cyklu nabíjení (USC = USCmax)
FEKT VUT v Brně
Superkapacitory / J.Boušek
10
Typické použití superkapacitorů Schopnost dodat a absorbovat značné proudy. Malé zdroje pro napájení elektrických spotřebičů: - dlouhá životnost / neomezený počet cyklů Výkonové aplikace - akumulace energie : - brzdění vlaku (Čína) - spouštění nákladu přístavním jeřábem (Japonsko) - krátkodobá zátěž, rekuperace - autobusy, trolejbusy, - natáčení lopatek větrných turbín
FEKT VUT v Brně
Superkapacitory / J.Boušek
11
Typické použití superkapacitorů Posílení elektrochemických zdrojů: - paralelní spojení - schopnost dodat a absorbovat značné proudy. - odlehčení hlavního zdroje - zvýšení životnosti Baterie - malý rozsah pracovního napětí: - nevyužije se celý napěťový rozsah superkapacitoru !!! - využívá se jen část akumulačních schopností - případné využití spínaných měničů ?? Palivové články – větší rozsah pracovních napětí: - lepší využití akumulačních schopností superkapacitoru
FEKT VUT v Brně
Superkapacitory / J.Boušek
12
Perspektivní použití superkapacitorů Náhrada akumulátorů pro aplikace v dopravě ?
10 000 USD/ kWh 5Wh/ kg
400 USD/ kWh
(250 USD/ kWh)
120 Wh/ kg
(200 Wh/ kg)
….. nové elektrodové systémy, nanotrubice, grafén ? … nové typy elektrolytů ? FEKT VUT v Brně
Superkapacitory / J.Boušek
13
Výroba
USA – Jihovýchodní Asie – Čína
Maxwell (USA) NESSCap (Korea), Panasonic, NEC (Japonsko) Ao-wei, Shuangdeng (China) Evropa – odhady 5-10%: Epcos (SRN), ECOND (Rusko)
FEKT VUT v Brně
Superkapacitory / J.Boušek
14
Sériové zapojení superkapacitorů Maximální povolené napětí je velmi nízké: USCmax = 0,9 V pro vodou rozpustné elektrolyty USCmax = 2,3 – 3,3 V pro organické elektrolyty Pro větší napětí je nutné řazení do série. Příklad: Pro jmenovité napětí 120 V potřebujeme přibližně: a) USCmax = 0,9 V .... 150 ks b) USCmax = 2,7 V .... 50 ks
Při sériovém zapojení musí být zajištěno: - vyrovnání rozptylu hodnoty nominální kapacity - vyrovnání rozptylu svodového proudu (samovybíjení)
FEKT VUT v Brně
Superkapacitory / J.Boušek
15
Sériové zapojení superkapacitorů
Svodový proud - s ohledem na množství akumulované energie relativně velký - závisí na teplotě a napětí - proměnný s časem
Rozptyl kapacity - různé napětí při nabití - při vybíjení může dojít k přepólováni
FEKT VUT v Brně
Superkapacitory / J.Boušek
16
Sériové zapojení superkapacitorů
Pasivní vyrovnání – odporový dělič : - proud děličem cca 10 x větší než svodový proud - velké ztráty v režimu “baterie” Příklad: 1) Zvolíme IR = 2 μA / F 2) Pro CSC = 3000 F: IR = 6 mA !!!
FEKT VUT v Brně
Superkapacitory / J.Boušek
17
Sériové zapojení superkapacitorů
Aktivní vyrovnání - nelineární zpětná vazba:
- zajišťuje vyrovnání napětí na jednotlivých článcích - řádově menší ztráty - specializované IO (LTC3225 IC / Odběr “naprázdno”:4 μA)
FEKT VUT v Brně
Superkapacitory / J.Boušek
18
Sériové zapojení superkapacitorů
Vyrovnání nastavením stejného napětí: - při nabití nastaveno stejné napětí - při vybití se napětí změní (aktuální kapacita, svody) - při opětném nabití se vrátí na původní hodnotu FEKT VUT v Brně
Superkapacitory / J.Boušek
19
Sériové zapojení superkapacitorů Závěry z praxe: Pasivní vyrovnání proudů: - postatně levnější, jednodušší a spolehlivější - ve většině případů dostačující Aktivní vyrovnání (proudů) a napětí: - složité, nákladné, menší spolehlivost - v některých případech nutné
FEKT VUT v Brně
Superkapacitory / J.Boušek
20
MAXWELL : 125 Volt Transportation Module
FEKT VUT v Brně
Superkapacitory / J.Boušek
21
MAXWELL : 125 Volt Transportation Module
FEKT VUT v Brně
Superkapacitory / J.Boušek
22
“ENERGY HARVESTING“ Účel : Zachycení energie, která je v okolí k dispozici
Měniče: - fotovoltaické + magnetodynamické - tepelné + piezoelektrické - elektrochemické + ..... Využití - napájení autonomních spotřebičů: - velmi malé výstupní napětí měničů - ideální pro superkapacitory - obvykle nezbytný DC/DC měnič Měniče DC/DC pro “Energy Harvesting“ - velmi malý zpracovávaný výkon - srovnatelný s výkonem nutným pro řízení měniče - speciální obvodová řešení FEKT VUT v Brně
Superkapacitory / J.Boušek
23
Superkapacitory: Již dnes vynikající vlastnosti pro řadu aplikací. Alternativa pro akumulátory pokud nové typy elektrod a elektrolytů umožní podstatné zvýšení hustoty energie. Při využití potenciálu “Energy Hervesting“ mohou sloužit jako velmi výhodná náhrada baterií.
FEKT VUT v Brně
Superkapacitory / J.Boušek
24
Dotazy a připomínky.
FEKT VUT v Brně
Superkapacitory / J.Boušek
25
Děkuji za pozornost.
FEKT VUT v Brně
Superkapacitory / J.Boušek
26