Гибридные суперконденсаторы предлагают альтернативу хранению энергии

Перезаряжаемая батарея и суперконденсатор имеют относительные плюсы и минусы, но Гибридный дизайн, объединяющий обе технологии в единую структуру, может преодолеть многие ограничения каждой из них.

Конденсатор с двойным электрическим слоем (EDLC), который чаще всего называют «суперконденсатором», а иногда и «ультраконденсатором», представляет собой удивительный компонент пассивного накопления энергии. Благодаря высокой емкости в несколько фарад и небольшому размеру он обеспечивает накопление энергии с высокой плотностью как по объему, так и по весу. В некоторых приложениях дистанционного зондирования, Интернета вещей и источников энергии суперкапсы являются альтернативой перезаряжаемым батареям; в других ситуациях они используются вместе с батареями, чтобы преодолеть некоторые из недостатков этих электрохимических компонентов накопления энергии. Дело не в том, что одно по своей сути лучше другого; Напротив, у суперкапсов и аккумуляторных батарей (независимо от химического состава) есть свои сильные и слабые стороны. Приоритеты приложения определяют, какой из них наиболее целесообразен или оба необходимы в некотором тандемном порядке.

Есть еще одна интересная альтернатива выбору одного или даже обоих в качестве двух дискретных компонентов:гибридный суперконденсатор. Этот накопитель энергии - не просто очевидная совместная упаковка аккумуляторной батареи и суперконденсатора. Вместо этого он использует уникальную конструкцию, в которой единственная сборка представляет собой одновременно суперконденсатор и литий-ионную батарею, рис. 1 (см. Ссылки для более подробной информации).

Рис. 1. Этот верхний вид структуры гибридного суперконденсатора показывает, что это не суперконденсатор, а батарея, использующая один двухконтактный корпус. (Источник изображения:Тайё Юдэн)

Среди поставщиков этих гибридных суперконденсаторов - Taiyo Yuden (компания называет их литий-ионными суперконденсаторами, что технически совершенно правильно), Eaton и Maxwell Technologies, Inc. (теперь часть Tesla).

Существует множество опубликованных таблиц, в которых сравниваются стандартные суперконденсаторы и литий-ионные аккумуляторные батареи (таблица 1). Помните, что у каждого ресурса и поставщика разные точки зрения, как и следовало ожидать, а сама технология развивается быстрыми темпами.

Таблица 1:Здесь сравниваются лучшие характеристики суперконденсаторов и литий-ионных аккумуляторных батарей; у каждого может быть свой набор записей в зависимости от источника информации и времени. (Источник изображения:Maxwell Technologies, Inc., через Battery University)

Несмотря на очевидные достоинства этих гибридных суперкапсов, у меня всегда были смешанные чувства к гибридным устройствам и конструкциям в целом. С одной стороны, сочетание двух технологий или материалов часто позволяет нам сохранить лучшие аспекты каждой из них, преодолевая при этом некоторые слабые стороны. Это относится не только к электронике:подумайте о бетоне, армированном стержнями, или о полимерах, армированных углеродным волокном (CFRP), которые используются в качестве обшивки корпусов и надстроек самолетов последнего поколения.

В то же время у этих комбинаций иногда есть новые недостатки. Например, многофункциональное испытательное оборудование может иметь меньшие характеристики или некоторые пределы гибкости по сравнению с одноцелевыми оптимизированными устройствами. Широко известный «Швейцарский армейский нож» - неэлектрический пример:каждый его отдельный инструмент может быть «в порядке», но определенно не так хорош, как специальный инструмент; Тем не менее, общая комбинация лезвия / аксессуара и упаковка дает преимущества по размеру, весу и стоимости.

Для гибридных суперкапсов есть еще одна проблема с управлением. Литий-ионные аккумуляторные батареи имеют свои особые потребности в отношении контроля скорости заряда и разряда, подсчета кулонов и температуры (чтобы указать несколько факторов) - и у суперконденсаторов есть свой собственный сопоставимый список. Итак, как управлять гибридным суперкапсом? Будет ли тактика конфликтовать, или они достаточно похожи, чтобы единый подход мог работать для двухконцевого гибрида?

Я думаю о туннельном диоде:несмотря на его привлекательные рабочие характеристики, в качестве устройства с двумя выводами без четких соединений вход-выход-земля его было довольно сложно использовать на практике, и поэтому он попал в немилость; то же самое справедливо и для PIN-диода (просто посмотрите на некоторые из схем его применения). Возможно, такие ИС, как недавно представленный Maxim MAX38889, реверсивный понижающий / повышающий стабилизатор от 2,5 В до 5,5 В, 3 А, оптимизированный для приложений резервного копирования суперконденсатора, работают достаточно хорошо для обоих? (Рисунок 2)

Рис. 2. MAX38889 специально предназначен для управления суперконденсаторами; также может быть в цепи аккумулятор. (Источник изображения:Maxim Integrated Products)

Решение о том, следует ли использовать гибридное решение для данной проблемы, часто требует взвешивания трудных для оценки компромиссов. Помимо очевидных преимуществ, когда каждый компонент преодолевает одно или несколько недостатков другого, есть также много случаев, когда появляются новые недостатки.

Есть ли смысл использовать гибрид суперкап? Ответ прост:это зависит от обстоятельств. В некоторых случаях новый недостаток в приложении неприемлем, а в других новые преимущества перевешивают недостатки. Количественно модель должна не только решать уравнение «равно 1 +1 <, =или> 2?» но также необходимо оценить любые пробелы, которые создает решение.

Каков ваш опыт работы с гибридными - комбинированными или объединенными - решениями (а не только гибридными суперкапсами)? Был ли общий выигрыш важнее любого дополнительного недостатка? Как вы оцениваете баланс между преимуществами и недостатками гибридного подхода?

Ссылки
Eaton, «Объяснение гибридных суперконденсаторов»

Eaton, «Техническая документация по гибридным суперконденсаторам HS»

Батарейный университет, «BU-209:Как работает суперконденсатор?»

Тайо Юдэн, «Литий-ионные конденсаторы:идеальная замена EDLC»

Тайо Юдэн, «Устройства накопления энергии:литий-ионные конденсаторы; Электрические двухслойные конденсаторы »

Краткие технические сведения, «Гибрид суперконденсаторов для повышения производительности и эффективности»

>> Эта статья изначально была опубликована на нашем дочернем сайте EE Times.

Связанное содержание:

• Решение проблем проектирования при точном измерении энергии постоянного тока.
• Система управления батареями обеспечивает резервирование для автономных транспортных средств.
• Оценка срока службы литий-ионных батарей для имплантируемых медицинских устройств.
• Использование анализа мощности для оптимизации срока службы батареи в устройствах Интернета вещей.
• PMIC с низким током покоя помогают продлить срок службы батареи.
• Интегрированные устройства упрощают управление питанием на мобильных платформах.
• PMIC с низким током покоя помогают продлить срок службы батареи.

Чтобы получить больше информации о Embedded, подпишитесь на еженедельную рассылку Embedded по электронной почте.