Применение
Автомобильная промышленность
Электромобили
Пуск двигателя
Рекуперативное торможение
Стартер
double-layer capacitors
В последние годы появился новых класс приборов, функционально близких к конденсаторам очень большой емкости; по существу - занимающих положение между конденсаторами и источниками питания. Это - ионисторы, конденсаторы с двойным электрическим слоем.
http://www.radioman.ru/sprav/1/ionistor.php
Компоненты для силовой электроники корпорации Epcos AG
Часть 4. Ультраконденсаторы (ионисторы) серии UltraCap
Основное отличие от обычного конденсатора — повышенная емкость
Ионистор1 — особый новый тип электролитического конденсатора большой емкости, которая достигает нескольких тысяч фарад. Повышенная емкость обусловлена двумя факторами:
Увеличенная эффективная поверхность электродов, выполненных из активированного угля. Для ионисторов Epcos эта поверхность составляет около 2000 м2/г.
Сверхмалое расстояние между противоположными зарядами (расстояние порядка 10–9 мм) — в качестве электродов используются высокопористые угольные материалы (в отличие от алюминиевых электродов обычных электролитических конденсаторов).
Благодаря этим факторам фирма Epcos выпускает конденсаторы серии UltraCap2 B49300-A1605 емкостью 600 Ф в корпусе размером с металлическую банку газированного напитка (33Ѕ61Ѕ91 мм).
Электроды ионистора, обладающие химической инертностью и высокой электрической проводимостью, характеризуются умеренной стоимостью.
По плотности мощности и плотности энергии ионисторы заполняют нишу между аккумуляторными батареями и электролитическими конденсаторами. Ионисторы решают проблему обеспечения пиковой мощности источников питания. Это особенно актуально для инновационных областей силовой электроники.
Основное назначение — питание нагрузки большим током
Известно, что исправная аккумуляторная батарея может обеспечивать питание некоторого устройства (нагрузки) в течение длительного промежутка времени (измеряемого часами). При этом аккумулятор поддерживает необходимый номинальный (рабочий) ток питания. Однако пусковое значение тока нагрузки обычно выше номинального. Обеспечение повышенного тока — нелегкая задача для аккумулятора, особенно если он (по различным причинам) не до конца заряжен. Недостаточный пусковой ток — частая проблема старых аккумуляторов, для которых характерен саморазряд (утечка).
Кроме того, аккумулятор является инерционным источником тока с большим временем доступа к запасенной энергии. Частые разряды аккумулятора большим током и эксплуатация недозаряженного аккумулятора приводят к его быстрому выходу из строя.
С другой стороны, алюминиевые электролитические конденсаторы, которые обычно применяют в бесперебойных источниках питания (UPS), инверторах и приводах двигателей, обеспечивают значительный уровень тока лишь в миллисекундном интервале времени, что исключает возможность их использования в качестве источника питания.
Большой кратковременный ток заданной величины (сотни ампер) часто необходим для питания современного оборудования. Ионисторы не рассчитаны на полную замену аккумуляторов. Однако их применение эффективно для питания устройств в течение коротких промежутков времени, например для пуска двигателей внутреннего сгорания в автомобилях.
Дополнительные преимущества ионисторов
В отличие от аккумуляторов, действие которых основано на отложении химических элементов на электродах, ионисторы фирмы Epcos реализуют чисто физический (электростатический) принцип работы. Заряд/разряд ионистора происходит за счет смещения ионов электролита в поле заряженных электродов. Поэтому ионистор успешно функционирует в цепях с частым электрическим зарядом/разрядом (число циклов — более 1 000 000). Аккумулятор же обычно выдерживает не более тысячи циклов заряд-разряд с полным предварительным зарядом в каждом цикле.
Рис. 1. Сравнительная диаграмма энергетического потенциала аккумуляторов, электролитических (алюминиевых) конденсаторов и ионисторов.
Кроме того, для аккумулятора весьма нежелательны пульсация напряжения и глубокий разряд, которые не опасны для ионистора. Ионисторы Epcos хотя и являются полярными элементами (полярность обозначена соответствующим символом на корпусе элемента, как у электролитических конденсаторов), но, в отличие от аккумуляторов, приложение обратного напряжения не оказывает негативного воздействия.
Рис. 2. Зависимость напряжения на ионисторе от времени (характеристика разряда при постоянном токе) на примере ионистора B49300-L1276-Q000 (2700 Ф/2,3 В)
Еще одним слабым местом аккумуляторов является их плохая работа при низких температурах, отсюда — известные проблемы запуска двигателя в зимнее время. Ионисторы остаются работоспособными при отрицательной температуре. Гарантированный нижний предел рабочих температур ионисторов Epcos –30 °C. Если, например, автомобиль оставить на ночь на морозе (вне гаража), то установленные в нем ионисторы благодаря широкому диапазону температур хранения не пострадают.
За счет большой эквивалентной площади обкладок вес и габаритные размеры ионисторов существенно меньше размеров литиевых элементов и аккумуляторов. В свою очередь, ионисторы фирмы Epcos — мирового лидера в производстве широкого спектра конденсаторов на основе передовых технологий — отличаются особенной компактностью и плотностью энергии. Благодаря своим малым размерам ионисторы Epcos могут также использоваться в качестве основных питающих элементов в различных слаботочных электрических схемах: часы, калькуляторы электронные игры, устройства дистанционного управления, микрокомпьютеры, радиоприемники и т. п. Их преимуществом перед гальваническими (литиевыми и т. п.) элементами являются возможность повторного заряда и отсутствие экологически вредных наполнителей и компонентов.
Области применения ионисторов Epcos
1. Автотранспорт:
для запуска дизельных двигателей и двигателей внутреннего сгорания;
для снижения расхода топлива за счет регенерации энергии при торможении автобусов и легковых автомобилей.
2. Железнодорожный транспорт:
для запуска дизельных двигателей локомотивов;
метро, трамваи.
3. Электромобили:
гибридного типа (HEV);
автомобили на топливных элементах (FCEV);
применение в составе интегрированных стартовых генераторов (ISG).
http://www.compitech.ru/html.cgi/arhiv/02_02/stat_8.htm
(double-layer capa-citors), суперконденсаторы (super-capacitors) и ультраконденсаторы (ultracapa-citors
Аэрогельные ионисторы
Аэрогельные ионисторы - новая разработка компании Cooper Electronic Technologies (
www.cooperet.com) [6]. В аэрогельных ионисторах электроды изготовлены из вспененного углерода (carbon aerogel foam). Материал обладает высокой электропроводностью, хорошо контролируемой микропористостью и большой площадью активной поверхности. Еще одно преимущество нового материала - минимальный ток утечки. Одно из самых серьезных преимуществ аэрогельных ионисторов - чрезвычайно малая величина внутреннего сопротивления (менее 200 мОм), что позволяет кратковременно отдавать в нагрузку большие токи. Два варианта использования - при сохранении емкости возможно сократить размеры аккумулятора или при сохранении размеров - увеличить емкость. Новые приборы конструктивно схожи с литий-ионными аккумуляторами и электролитическими конденсаторами. Ионисторы на основе вспененного углерода обеспечива ют плотность мощности до 4000 Вт/кг, в 10 раз большую, чем Li-ion аккумулято ры. Емкость аэрогельных ионисторов примерно в 2000 раз выше, чем у электролитических конденсаторов. Плата за столь высокую емкость - небольшое рабочее напряжение, всего 2,7 В.
Supercapacitors
При сопоставимых размерах аккумуляторы способны запасать много больше энергии, чем ионисторы, т.е. обладают значительно большей энергоемкос тью, однако ионисторы имеют лучшими показатели по скорости отдачи энергии.
Масса
При одинаковых размерах аккумуляторы, как правило, значительно тяжелее ионисторов, поскольку в них используются тяжелые металлы.
Время заряда
Аккумуляторы запасают энергию в процессе химических реакций, на которые требуется некоторое, часто достаточно большое, время. Ионисторы запасают энергию в результате перемещения ионов, время заряда до 60...80% составляет от 30 до 60 секунд.
Количество циклов заряда/разряда
Аккумуляторы выдерживают от 500 до 1000 циклов заряда/разряда. При большем числе циклов постепенно снижается их емкость вплоть до полной потери. Ионисторы обеспечивают до 1 млн. циклов заряда/разряда без ухудшения параметров.
Ток заряда
Аккумуляторы имеют сложный алгоритм заряда для обеспечения оптимального режима их работы и длительного срока службы. Ионисторы не имеют ограничений по току заряда, важно не превысить рабочее напряжение. Кроме того, ионисторы не боятся коротких замыканий.
Стоимость
Существенный недостаток ионисторов - их высокая стоимость. Промышленная не выпускает ионисторы в больших объемах, что способствовало бы значительному снижению их стоимости.
Чем ионисторы лучше аккумуляторов
В первую очередь, скоростью доступа к энергии, поэтому ионисторы часто используются вместе с аккумуляторами, дополняя их. Ионисторы способны отдавать большую мощность без каких либо отрицательных последствий. Работа аккумуляторов в режиме кратковременных больших токов приводит к резкому сокращению срока их службы.
Состояние ионистора при заряде является простой функцией напряжения. Состояние аккумулятора при заряде определяется путем сложных динамичес ких расчетов. Ионисторы могут быть заряжены до любого напряжения в пределах рабочего и полностью разряжены. Аккумуляторы работают в узком диапазоне напряжений, определяемом химическими реакциями, и могут быть необратимо повреждены при недопустимо глубоком разряде.
Выбор емкости ионистора
Емкость ионистора определяется допустимой величиной снижения напряжения при работе на нагрузку. При разряде важно согласовать падение напряжение на нагрузке и внутреннем сопротивлении ионистора. Возможны различные их соотношения. При очень коротких импульсах разрядного тока основную роль играет внутреннее сопротивление ионистора, при длительном разряде - сопротивление нагрузки.
Для выбора ионистора необходимо знать:
максимальное рабочее напряжение;
минимальное допустимое рабочее напряжение;
мощность или ток;
длительность разрядки (мощность, требуемая на каждый цикл разряда);
цикличность (частота разрядов).
Максимальное рабочее напряжение зависит от количества последовательно включенных приборов. Для каждого типа ионисторов существуют свои значения номинального и максимального рабочего напряжения.
Минимальное допустимое рабочее напряжение, требования по мощности/току и временя разряда определяют размеры отдельных приборов и число ионисторов, включаемых параллельно.
Цикличность (частота повторения) разрядов определяет тепловой режим ионисторов, их долговечность и допустимые диапазоны изменения напряжения.
Как быстро можно разряжать ионистор
Как угодно быстро. Максимальный ток ограничен лишь внутренним сопротивлением прибора. Ионисторы не боятся коротких замыканий. Реальные ограничения зависят от размеров ионистора. На согласованную нагрузку даже небольшой ионистор способен выдать ток до 10 А, а приборы больших размеров - до 1000 А. .
Литература
Карабанов С.М., Кухмистров Ю.В. Ионисторы - конденсаторы с двойным электрическим слоем. ЭК, 1997. №1-2. С. 24.
Technical guide of electric double layer capacitors. Matsushita Electronic Components Co., Ltd. Capacitor Division. March 2nd 2000.
Supercapacitor balancing. Application information. PS-5503 11/99. Cooper Electronic Technologies.
Cell balancing in low duty cycle applications. Application Note AN-002. Maxwell Technologies Inc. 1999.
Dietrich T. Charging charac-teristics and circuit design. UltraCap capacitors. Siemens Matsushita Components.
Morrison D. Carbon foam whips up greater power density for super-capacitors. Cooper Electronic Tech-nologies. 2000.
Re: из личного 2-х летнего опыта. - Vladimir, Thursday, 14 September 2000, at 1:04 p.m.
Волею судьбы занимался супер-ионисторами года два, пытаясь запускать с их помощью автомобили. В нашей стране иногда производят 100 Фарад на 25 Вольт, это круглая банка размера 30 см диаметром на 50 см высоты весит 15-20 кг. Хватает на один пуск двигателя КАМАЗа. Два таких запускают дизель танка.
Ионисторы имеют емкость в несколько тысяч раз большую, чем стандартные конденсаторы при равной массе и размерах и способны кратковременные выдерживать большие токовые нагрузки. Мобильный GSM телефон при питании от трех щелочных элементов AAA способен работать в течение 15 минут. Добавив ионистор размером с две почтовые марки, время разговора может быть увеличено до 3 часов.
Изготовители выпускают гибридную сборку, где в одном корпусе размещены стандартный аккумулятор и ионистор. Такой источник питания может использоваться в самой разной аппаратуре - от пейджеров до электронных замков.
Cooper Electronic Technologies
Ионисторы могут быть использованы как для длительного хранения энергии, так и кратковременного питания нагрузки большими токами, поскольку обеспечивают чрезвычайно высокую скорость разряда и большую, до 4000 Вт/кг, плотность энергии, примерно в 10 раз больше по сравнению с литий-ионными аккумуляторами. Приборы могут быть использованы в устройствах беспроводной связи, мобильной аппаратуре, ноутбуках, автомобильной электронике и бытовых приборах.
Я смотрю, вот продается ионистор 600F 2.3V за почти $100
И мне интересно, а вот 600 фарад, если пользовать его в качестве источника тока, то при падении напряжения с 2.3В до 1.5В, например, сколько А/ч он выдаст?
Спец ◊
27.11.2005, 23:13
Попробую выдать ответ в той же манере, что и задан вопрос, причём не заглядывая в учебники... 1 фарада - это когда в конденсатор, приложив к нему напряжение в 1 вольт, удаётся загнать заряд в 1 кулон. Этого заряда достаточно, чтобы в течение 1 секунды поддерживать ток 1 ампер. Ну а дальше осталась чистая арифметика...
Простая формула:
t=Ln(1.5В/2,3В)*R*С
Время в секундах, сопротивление в омах, ёмкость в фарадах.
Если подставить сопротивление 44Ом - эквивалентное сопротивление нагрузки, в качестве которого выступает преобразователь на 3.3В и 20мА для питания сверхяркого светодиода для фонарика, то получится:
t=Ln(1.5В/2,3В)*44*600=-11284сек=-188мин=-3,1час.
Знак минуса означает, что идёт разряд...
Получается, что если зарядить ионистор на 600 фарад до напряжения 2,3В и подключить его в качестве источника питания для преобразователя фанарика со светодиодом 3,3В, 20мА, то до уровня 1,5В ионистор разрядится через 3 с лишним часа...
Конечно, весьма условно, так как мне лень учитывать что ток разряда не стабильный... Но для оценки сойдёт...
Интересно было промоделировать ситуацию...
Если заряжать этот ионистор от источника с напряжением 2,3В, то полностью он зарядится не ранее, чем через 15 минут, а первоначальный бросок тока зарядки будет больше 20А... Через минуту ток уменьшится до 8А, через 2 минуты - до 3А, а через 3 минуты - чуть больше 1А...
Последние новости про ионисторы:
Японский научно-исследовательский институт JEOL разрабатывает новый тип конденсатора с намного большей емкостью заряда энергии чем имеют обычные конденсаторы. Профессор Okamura с инженерами JEOL разработал новый конденсатор в октябре прошлого года, который обеспечивает емкость заряда 88 ватт-часов в массовом выражении плотности энергии на килограмм, что приблизительно в 10 раз больше чем параметры обычных конденсаторов. В отличие от батарей, свойства конденсаторов не ухудшаются в течение долгого периода времени, и они заряжаются намного быстрее.
Таким образом конденсаторы нового типа могли бы стать источниками электропитания нового поколения, которые заменят батареи в будущем.
На склад ПЛАТАН поступила партия конденсаторов сверхвысокой ёмкости (ионисторов) фирмы EPCOS
На склад ПЛАТАН поступила партия конденсаторов сверхвысокой ёмкости (ионисторов) фирмы EPCOS. Данные конденсаторы (именуемые иначе Ultra Cap) B49100-A1104-Q обладают достаточно малыми габаритами 22.75х29.0х3.84 мм при ёмкости 10 Ф и напряжении 2.3 В. Типичная область применения ионисторов - подпитка статических ОЗУ во время отключения штатного источника питания. В отличии от батареек, ионисторы не требуют переодической замены, не боятся больших зарядных и разрядных токов, не загрязняют окружающую среду.
Цена - 240 руб. в розницу и 137 руб. оптом от 24 штук и выше.
Вот я и думаю, зачем выкидывать металл-гидридные батареи каждые два года, когда требуется ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЙ привод на веломобиль?
Если придумать микродвижок (Мослитра прошу не беспокоиться) для подзарядки на ровных участках....
НУ ОЧЕНЬ ПЕРСПЕКТИВНО!