Eaton Electronics patří mezi přední dodavatele superkondenzátorů. Jejich produktová řada zahrnuje desítky sérií, vyráběných v různých formátech (od miniaturních po moduly určené pro komerční vozidla). Společnost nabízí jak komponenty vyráběné pomocí "klasických" technologií, tak inovativní, patentovaná řešení vyvinutá v jejich laboratořích. Toto portfolio otevírá řadu možností pro návrháře a výrobce elektrických/elektronických zařízení. Níže poskytujeme přehled superkondenzátorů od Eaton dostupných v našem katalogu, spolu s potenciálními aplikacemi a doporučenými návrhovými řešeními navrženými dodavatelem.
Tento článek pokrývá témata jako:
- Konstrukční rozdíly mezi typy superkondenzátorů
- Řady komponentů Eaton a jejich charakteristika
- Výhody hybridních řešení
- Superkondenzátory pro zařízení IoT a podobné aplikace
- Kondenzátory určené pro obvody vysokého výkonu
- Dobré praktiky při použití superkondenzátorů
- Metody vyvažování napájecích balíků
- K čemu slouží superkondenzátory v systémech IoT a LoRa?
- Prodloužení životnosti baterií v elektrických vozidlech
Série a vlastnosti superkondenzátorů od Eaton
Klíčovou silou nabídky superkondenzátorů Eaton je jejich rozmanitost. To je patrné v několika aspektech: portfolio zahrnuje komponenty s různými kapacitami, velikostmi a tudíž i účely. Navíc Eaton zajistil rozmanité charakteristiky napříč svými produkty, včetně typů s nízkým ESR, komponentů hodnocených pro zvýšené napětí, širokou tepelnou toleranci (-40...+85) a další.
Rozdělení podle strukturálních charakteristik
Složení elektrolytu používaného v superkondenzátorech významně ovlivňuje jejich výkon. Nabídka Eaton může být rozdělena do několika skupin na základě těchto kritérií, včetně tří popsaných níže a hybridních řešení, která jsou pokryta v samostatné sekci.
Propylénkarbonát
Používá se v sériích jako B, HB, KR a KW, propylénkarbonát je nehořlavá, ekologicky šetrná sloučenina s vynikajícími tepelnými vlastnostmi, které umožňují provoz od -25°C do 70°C. Tyto kondenzátory nepodléhají přepravním omezením. Nevýhodou je relativně nízké maximální nabíjecí napětí 2,5V.
Acetonitril
Acetonitril umožňuje výrazně vyšší kapacitu (až o 80% více), napětí až 2,7V a nižší ekvivalentní sériový odpor (ESR). Komponenty používající tento elektrolyt mohou tolerovat nižší teploty (až -40°C). Nicméně, při vystavení ohni vypouštějí toxické výpary, což vede k určitým omezením použití. Acetonitril se používá v sériích jako HV, XV, XL60 2.7V, XVM a XLM.
Vlastní formulace Eaton
Superkondenzátory ze sérií TV, XT a XL60 3.0V obsahují patentované elektrolyty, které poskytují optimální výkon. Tyto komponenty jsou mírně dražší, ale poskytují vysokou kapacitu, nízký únikový proud, nízký ESR, napětí až 3V a nejvyšší dostupnou hustotu výkonu.
Přehled sérií
Pro lepší pochopení rozmanité nabídky superkondenzátorů Eaton je užitečné prozkoumat segmentaci jejich komponentů podle sérií. Každá skupina nejenže má unikátní konstrukční vlastnosti, ale je také optimalizována pro specifické aplikace.
Standardní válcové superkondenzátory
V mnoha obvodech, jako jsou měniče a systémy stabilizace napětí, se superkondenzátory používají především pro svou vysokou kapacitu a nízký ESR. Pro tyto aplikace jsou vyžadovány komponenty ve standardních válcových formátech s vývody pro technologii průchozího otvoru (THT). Série B, HB a HV představují nejtypičtější produkty Eaton v této kategorii.
Komponenty série B jsou dobře přizpůsobeny pro obvody v nepřerušitelných napájecích zdrojích (UPS), spínaných napájecích zdrojích a síťových systémech. Pro série HB a HV zákazníci obdrží komponenty s vyššími kapacitními hodnotami (až 110F), které jsou ideální pro náročnější aplikace, jako jsou systémy obnovitelné energie (solární), výkonové vysílače a—díky jejich nízkému únikovému proudu a tepelné toleranci v rozmezí -25°C až 85°C—plynové a vodoměry, stejně jako další měřicí zařízení nebo senzory vybavené bezdrátovými komunikačními moduly.
Hybridní technologie
Vlastní hybridní technologie superkondenzátorů Eaton využívá dva typy elektrod: jednu postavenou jako standardní kondenzátory a druhou připomínající technologii baterií. To vede k výjimečným vlastnostem produktů, včetně životnosti až 20 let za optimálních podmínek.
Zásadní vlastností hybridních kondenzátorů je jejich bezúdržbový provoz. Když jsou kombinovány s tradičními bateriemi, slouží jako vynikající zdroj energie pro vzdálená zařízení (senzory, měřiče) díky jejich nízkému únikovému proudu. Jejich nízké ESR vlastnosti je činí vhodnými pro obvody vyžadující značnou energii, jako jsou nouzové napájecí zdroje pro průmyslová zařízení a lékařské přístroje nebo poplašné systémy.
Nízkoprofilové a miniaturní verze
Superkondenzátory jsou ideálním dodatečným zdrojem energie pro aplikace vyžadující relativně vysoký proud po krátké období nebo přerušovaně. Tato vlastnost se využívá například v zařízeních Internetu věcí (IoT), kde je komponent nabíjen malým proudem ze solárních článků, generátorů nebo baterií a poté použit k napájení RF modulu, vysílače signálu, aktuátoru nebo jiných komponent s vysokými energetickými nároky.
Eaton nabízí nízkoprofilové kondenzátory a formáty mincovních článků pro IoT a záložní obvody RTC (stejně jako níže popsané miniaturní komponenty). Pracují při 5V nebo 5,5V DC, s kapacitami v rozmezí 0,1F až 1,5F. Vývody jsou navrženy pro THT montáž na rozteč 5mm nebo 10mm.
Kompaktní superkondenzátory jsou také dostupné v obdélníkových formátech s kapacitami až 5F. Významné modely v sérii PHVL se vyznačují ultranízkým únikovým proudem (pouze 1µA) a tepelnou tolerancí v rozmezí -40°C až 85°C. Tyto působivé specifikace je činí vhodnými pro aplikace, jako je napájení RTC hodin, volatilní paměti a stabilizace proudu během přechodů mezi zdroji energie v dobíjecích zařízeních.
Vysoká kapacita a provozní napětí
Série XL60, XV a XB se vyznačují vysokou kapacitou a jsou navrženy pro výkonové aplikace a vysokoproudové obvody, jako jsou regenerační brzdové moduly v silničních vozidlech (EV, hybridy), startéry a obvody průmyslových strojů.
Série XL60 (pow. 1kF, 2,7V) Série XV (300…600F, 2,7V)
Nejvyšší dostupná kapacita (3kF při 2.7V DC) se nachází v sérii XL60. Jedná se o válcové superkondenzátory s šroubovými svorkami, které zajišťují minimální odpor připojení a umožňují dodávku velmi vysokých úrovní proudu. Vyznačují se vysokou účinností (přes 98%), což je činí vhodnými pro nejnáročnější aplikace, jako jsou těžké stroje (jeřáby, stavební a těžební zařízení) a nákladní automobily. Jejich vysoká kapacita je činí ideálními pro vyhlazování výkyvů napájení v napájecích obvodech.
Série TV (3V, 3,3…100F) Série TVA (3V, 25…100F)
V kondenzátorech série TV byly použity materiály vyvinuté společností Eaton k dosažení nejvyšší hustoty výkonu a kapacity (až 100F) při eliminaci ekologicky škodlivých látek. Navíc komponenty TVA jsou v souladu s AEC-Q200, což znamená, že jsou vhodné pro použití v automobilovém průmyslu. Jsou obzvláště užitečné jako nezávislé nebo pomocné zdroje energie ve spojení s tradičními bateriemi pro systémy centrálního zamykání a záznamníky dat. Očekává se také, že najdou uplatnění ve stabilizátorech obvodů boardnet, které dodávají energii komponentům vozidla, včetně nejnovějších vozidel pracujících při 48V DC.
Pakety XLR
Výše popsané superkondenzátory XL60 jsou nabízeny v továrně připravených baleních označovaných jako série XLR. Jeden modul může být navržen pro napětí 16.2V, 48.6V nebo 51.3V DC (v závislosti na modelu) a vyznačuje se kapacitním rozsahem 160F až 500F. Každé balení je uzavřeno v kompaktním pouzdře s vyvažovacím obvodem, který zahrnuje ochranu proti přepětí a tepelné ochraně komponentů. Tyto produkty jsou určeny pro průmyslová odvětví, jako je nákladní a veřejná doprava (silniční, železniční, námořní) a těžké stroje. Díky kombinované kapacitě a výjimečným parametrům kondenzátorů XL60 může tento typ modulu nahradit jiné typy zdrojů energie, což vede k nižším provozním nákladům, snížení hluku a větší stabilitě napájecích systémů.
Balení má vysokoproudové šroubové konektory a monitorovací vodič.
Specifické návrhové úvahy
Použití superkondenzátorů vyžaduje návrhové úvahy podobné těm u menších kondenzátorů. Nicméně, protože také ukládají velké energetické rezervy po delší dobu, jsou v návrhu obvodů a zařízení nutná další opatření.
Základní ochrana balení
Prvním krokem při návrhu obvodu je zajistit, aby kondenzátory byly chráněny před napětím opačné polarity. Toho lze dosáhnout integrací usměrňovacích diod pro regulaci toku proudu.
Očekávaná degradace
Vzhledem k vysokému výkonu a degradaci elektrolytu inherentní superkondenzátorům je nezbytné zohlednit změny v nominálních charakteristikách komponentů v důsledku stárnutí a provozního opotřebení během fáze návrhu. Přirozeně, tyto změny parametrů nastávají postupně: u značkových komponentů Eaton by měly být tyto změny zohledněny v horizontu 10 let. Proto se doporučuje předpokládat 20% pokles kapacity a zvýšení ESR na 1,7násobek počáteční hodnoty při použití v UPS obvodech nebo lékařských zařízeních. Pro regulátory a napájecí zdroje v průmyslových strojích by měla být zohledněna tolerance -30% v kapacitě a dvojnásobné zvýšení ESR. V automobilových systémech, kde jsou superkondenzátory vystaveny nejintenzivnějšímu použití, by bylo nejlepší praxí plánovat 50% degradaci kapacity a trojnásobné zvýšení ESR.
Správný výběr napětí
Degradace je ovlivněna několika faktory, jako je provozní teplota, ale nejvýznamnějším faktorem je maximální provozní napětí. Nejúčinnějším způsobem, jak prodloužit životnost kondenzátoru, je udržovat jeho provozní napětí přibližně na 85% jeho jmenovité hodnoty. Kromě toho by měly být začleněny vybíjecí prvky pro vybíjení kondenzátorů, když není nutné ukládání energie, například během prostojů strojů.
Tepelné úvahy
Jak bylo zmíněno dříve, vysoké teploty snižují životnost superkondenzátorů. Při návrhu zařízení je důležité optimalizovat tepelné umístění komponentů. To zahrnuje zajištění, aby kondenzátory byly vzdáleny od typických zdrojů tepla v obvodu, jako jsou tranzistory, zesilovače nebo induktory.
Připojení kondenzátorů a vyvažování balení
Vzhledem ke svým charakteristikám jsou superkondenzátory omezeny na relativně nízká napětí (obvykle 2,7V, s maximem 3V). Protože to je pro většinu aplikací nedostatečné, komponenty jsou spojeny do série, aby vytvořily balíčky. V této fázi je třeba zvážit dva kritické aspekty. Za prvé, vzhledem k výše zmíněné tepelné citlivosti je třeba dbát na to, aby teplota komponentů byla rovnoměrně rozložena. To zabraňuje předčasné degradaci jakéhokoli jednotlivého prvku, což by mohlo vést k selhání napájecího systému. Druhým aspektem je metoda vyvažování balení, která zajišťuje rovnoměrnou úroveň nabíjení/vybíjení mezi kondenzátory v balení. Bez takového systému může životnost kondenzátorů v balení klesnout na pouhých 20–50% jejich původní životnosti.
Metody vyvažování jsou klasifikovány do dissipativních technik, které zahrnují kontrolované energetické ztráty (včetně pasivních a aktivních systémů), a nedissipativních (přímých a nepřímých) metod, které využívají sofistikované obvody regulace napětí, jako jsou stabilizátory nebo měniče. Výběr přístupu je ovlivněn nejen obavami o životnost balení, ale také faktory, jako je nákladová efektivita a výrobní schopnosti. Níže je podrobnější pohled na klíčové vlastnosti těchto metod.
- Pasivní vyvažovače: Udržují životnost kondenzátoru na 70–90%. Preferované pro obvody s řídkými cykly nabíjení-vybíjení (alespoň jednou denně) a stabilními okolními teplotami. Tyto obvody používají rezistory nebo Zenerovy diody připojené paralelně k jednotlivým kondenzátorům v balení. Diody mohou vyžadovat chlazení, zatímco rezistory by měly mít co nejnižší hodnotu, zajišťující tok proudu přibližně 10krát větší než nominální únikový proud kondenzátoru.
- Aktivní vyvažovače: Využívají operační zesilovače, což je činí nákladově efektivními. Vhodné pro balíčky, kde kapacita jednotlivých článků nepřesahuje 100F. Eaton vyvinul a patentoval vlastní návrh vyvažovače, který je k dispozici zdarma zájemcům. Tento návrh je optimalizován pro superkondenzátory vyráběné Eatonem, s variantou speciálně pro balíčky s vysokým výkonem vyžadující kapacitu nad 100F.
- Nedissipativní metody: Tyto obvykle vyžadují speciální integrované obvody (ICs). Mnoho takových produktů je komerčně dostupných, nabízejících přesnou adaptaci na charakteristiky superkondenzátorů. Tyto obvody zahrnují omezovače napětí, které zohledňují okolní teplotu a monitorují opotřebení kondenzátoru (např. signalizují sníženou kapacitu). Alternativně může vyvažování využívat obvody založené na topologii buck-boost regulátoru.
Příklady aplikací
V výše uvedeném textu byly několikrát zmíněny typické aplikace superkondenzátorů—zde shrnujeme tyto informace a podrobněji se podíváme na konkrétní příklady jejich použití. Jasně se rýsuje rozdíl: obvody vyžadující vysoký výkon a ty, kde superkondenzátor funguje jako kompaktní zdroj energie.
První skupina aplikací zahrnuje především zařízení používaná pro sběr a dodávku energie v krátkých obdobích. Příklady zahrnují startéry motorů, nepřerušitelné napájecí zdroje (UPS), regenerační brzdové systémy v elektrických vozidlech a dočasné ukládání energie v energetických instalacích. Ve všech těchto případech se využívá schopnost superkondenzátoru absorbovat a uvolňovat velké množství energie. Druhý typ aplikace je téměř opačný: obvody pracují s velmi nízkými proudy (např. vzdálené senzory), někdy zůstávají ve spánkovém režimu po mnoho dní a jsou aktivovány periodicky. Poté vykonávají specifický úkol (např. přenášení dat, aktivace servomechanismu atd.). V těchto případech superkondenzátor slouží jako podpůrný zdroj energie.
Komunikace IoT
Zařízení pracující na dálku (např. polní senzory nebo dálkově čtené vodoměry/plynoměry) musí obsahovat komunikační moduly, podobně jako obvody IoT (Internet věcí), kde je přenos dat základní funkcionalitou. Při použití technologie Bluetooth nebo WiFi superkondenzátory neposkytují významné výhody; nicméně, omezení těchto standardů by měla být zvážena. První se vyznačuje krátkým dosahem (až několik desítek metrů), zatímco druhý vyžaduje systémy neustále napájené proudy v rozmezí stovek miliampér, což je pro mnoho aplikací suboptimální. Proto se používají alternativní řešení, především LoRa (tj., Long Range) a NB (Narrow Band). Tyto technologie umožňují periodický přenos dat (např. jednou denně) na dlouhé vzdálenosti. To znamená, že po většinu času zůstávají přenosová zařízení ve spánkovém režimu a jsou aktivována pouze pro sběr informací (čtení senzorů, geolokační data atd.) a/nebo pro odesílání dat do dozorového zařízení.
V takových projektech nabízí kombinace baterií se superkondenzátory jasné výhody: role baterie je poskytovat velmi malé množství energie (50µA) pro udržení provozu obvodu (po dobu několika let, jako u vodoměrů). Mezitím je kondenzátor zodpovědný pouze za napájení komunikačního modulu, což umožňuje nejširší možný dosah. Toto uspořádání má několik výhod: může fungovat při velmi nízkých teplotách (superkondenzátory mají širší tepelnou toleranci). Snížení zatížení baterie (často jediného článku nebo mincovní baterie) prodlužuje její životnost (nejen její nabíjecí cyklus). Navíc, pokud je energie agregována pomocí malých fotovoltaických článků, nabíjení lithium-iontové baterie by vyžadovalo nabíjecí regulátor, zatímco analogický obvod pro superkondenzátory je mnohem jednodušší a zavádí méně ztrát.
Prodloužení životnosti baterií EV
Výzkumná zařízení dostupná značce Eaton umožnila společnosti provádět rozsáhlé studie o rozvoji dopravy založené na elektrických vozidlech. Tyto studie především hodnotily očekávané přínosy přechodu z "tradičního" napájecího systému—používajícího pouze lithium-iontové baterie (pohony H2 Fuel Cell)—na hybridní řešení kombinující balíček článků s balíčkem superkondenzátorů. Zatímco první je navržen pro vysokou energetickou hustotu (tj. kapacitu), druhý vyniká poskytováním vysoké výkonové hustoty. Optimální řešení tedy zahrnuje čerpání energie ze dvou zdrojů v závislosti na provozních parametrech pohonu: baterie dodávají proud, když vozidlo jede konstantní rychlostí nebo jemně zrychluje, zatímco superkondenzátory podporují systém během náhlých změn rychlosti (dodáváním energie nebo efektivním ukládáním prostřednictvím regeneračního brzdového systému). Specialisté Eaton dospěli k závěru, že očekávaná čtyřletá životnost baterií používaných v komerčních vozidlech (dodávkové vozy a užitková vozidla, jako jsou vysokozdvižné vozíky) by mohla být zdvojnásobena implementací hybridního napájecího systému. Navíc by takový přístup snížil velikost balíčku baterií, což by vedlo k nižší hmotnosti vozidla a sníženým provozním nákladům—nebo alternativně, zlepšené ziskovosti pro dopravní vozidla.
Text připravila společnost Transfer Multisort Elektronik Sp. z o.o.
Článek byl publikován v originále na webu TME.eu: https://www.tme.eu/cz/news/about-product/page/62684/o-superkondenzatorech-a-nabidce-eaton-electronics/
