Стив Леггетт

Использование конденсаторов для хранения энергии

Двухслойные конденсаторы обладают многочисленными преимуществами в различных областях применения, где требуется хранение энергии, например, источников бесперебойного питания, дорожных знаков и маяков с солнечными батареями, электромобилей и так далее. Однако, для получения максимального эффекта от использования этих устройств, разработчики должны ясно понимать особенности их функционирования, а также нагрузочные характеристики. В данной статье подробно описыва-ются возможности устройств серии UltraCap, разработанных подразделением по выпуску пассивных компонентов компании Siemens.

Слова “разрядка” и “зарядка” у основной массы людей ассоциируются с аккумуляторными батареями, со всеми вытекающими отсюда сложностями в обеспечении правильного режима эксплуатации и зарядки, непо-средственно влияющими на срок их службы. Предлагаемые компанией Siemens двухслойные конденсаторы не требуют использования сложных зарядных устройств. Тем не менее, для получения максимальной эффективности, от разработчиков требуется глубокое понимание всех физических процессов, используемых в данной технологии, а также правильных схемотехнических решений.

В эквивалентную схему двухслойного конденсатора (несколько определённым образом включённых конденсаторов) входят не только собственно емкостные элементы, но и резисторы. Они определяются конечным сопротивлением изолирующего материала, ненулевым сопротивлением электролита и контактами активных частиц углерода (рис. 1). Конденсатор C1 заряжается через сопротивление R+R, а конденсатор C2 — уже через R+R+R. Таким образом для полной зарядки конденсатора C2 требуется несколько большее время по сравнению с конденсатором C1. Если какой-либо конденсатор не полностью заряжен или разряжен, это приводит к изменению вида зарядной характеристики и некоторой потере напряжения в результате выравнивания зарядов на нескольких конденсаторах. Этот эффект должен быть принят во внимание при попытках измерить ёмкость таких устройств.

Рис. 1. Эквивалентная схема двухслойного конденсатора

Поскольку большинство современных двухслойных конденсаторов работает на напряжении приблизительно 2,3 В, некоторые приложения не могут быть реализованы с помощью одного конденсатора UltraCap. В число возможных причин входят:

• требуемое количество электричества слишком велико для одного конденсатора;
• напряжение, развиваемое на нагрузке, должно быть достаточно велико, и это значение выходит за рамки рабочих напряжений существующих конденсаторов UltraCap;
• электрические характеристики устройства таковы, что его реализация с использованием одного конденсатора была бы слишком дорогой, если вообще возможной.

Для случаев, где не может справиться один конденсатор, разработаны специальные батареи с параллельным или последовательным включением конденсаторов, в крайнем случае, можно использовать просто два устройства. Прежде всего, разработчики должны убедиться, что рабочее напряжение, определённое для таких батарей, не вызовет перегрузку отдельных конденсаторов. Рабочее напряжение для каждого UltraCap конденсатора не должно превышать 85% от номинального. В циклическом функционировании при соответствующем расчёте схемы это напряжение может быть несколько выше. Кроме того, после разрядки на отдельных конденсаторах в течение определённого периода времени не должно появляться никакое отрицательное напряжение.

Более высокое значение тока может быть получено при параллельном соединении конденсаторов UltraCap. Но если в ходе работы происходит глубокий разряд конденсаторов, конфигурация батареи должна быть изменена. Во время зарядки конденсаторы должны быть развязаны друг от друга специальными резисторами, а параллельное их включение осуществляется только непосредственно перед началом процесса разряда.

При использовании последовательной схемы включения каждый отдельный конденсатор не должен быть заряжен выше его максимального допустимого напряжения. Полное напряжение по постоянному току должно быть разделено пропорционально сопротивлению изоляции различных конденсаторов UltraCap.

Поскольку сопротивление изоляции различных конденсаторов из батареи может резко различаться, приложенное к ней постоянное напряжение может быть распределено очень неравномерно, что приведёт к перегрузке отдельных конденсаторов. Поэтому, необходимо предпринимать специальные меры для обеспечения однородного распределения напряжения. Наиболее надёжный способ заключается в том, чтобы для заряда различных конденсаторов использовать электрические изолированные источники напряжения.

Если не могут быть использованы изолированные источники напряжения, ситуацию можно исправить, соединяя различные конденсаторы с внешними балластными резисторами Rbal (рис. 2), сопротивление которых должно быть одинаковым, но меньшим сопротивления изоляции Ris конденсатора UltraCap. Если полученное при делении напряжение существенно ниже номинального напряжения конденсатора UltraCap, балластные резисторы можно не использовать.

Рис. 2. Подключение внешних балластных резисторов

Опыт показывает, что это может быть реализовано (в разумном соотношении) с помощью двух или трёх отдельных конденсаторов (возможно и больше, если изделие это допускает), пока полное напряжение не превышает 80% от произведения числа конденсаторов на их номинальное напряжение. При этом надо следить за тем, чтобы последовательно соединялись конденсаторы одного типа с одинаковой ёмкостью, а их сопротивления изоляции не отличалось значительно.

Все описанные рекомендации относятся и к батареям конденсаторов более сложной конфигурации. Для случая уравнивания напряжения с помощью балластных резисторов, рекомендуется, чтобы каждый отдельный конденсатор имел свой собственный резистор (рис. 3).

Рис. 3. Уравнивание напряжений балластными резисторами

На рис. 4 показано, как параллельно соединённые конденсаторы могут быть объединены в последовательную схему с помощью одного балластного резистора на группу. Это решение несколько проще приведённого на рис. 3, но имеет один существенный недостаток: если один из конденсаторов выйдет из строя, приложенное напряжение будет перераспределено среди оставшихся по-следовательно включенных конденсаторов, что может привести к их перегрузке и значительному сокращению срока службы батареи в целом.

Рис. 4. Использование одного балластного резистора на группу

В схеме, показанной на рис. 3, в этом случае опасности подвергается только один ряд конденсаторов. В более простой схеме, показанной в рис. 4, повышенное напряжение воздействует на все ряды последовательно соединённых конденсаторов, и повреждение может быть гораздо более серьёзным. По той же самой причине в комбинированных схемах надо избегать внутренних связей между параллельно включёнными конденсаторами без использования балластных резисторов.

CIE, октябрь 1999
Перевод Ю. Потапова