Суперконденсаторы для запуска двигателей

Суперконденсатор, распространившийся в последнее время, не совсем корректное название такого устройства как ионистор. Ионистор в свою очередь является разновидностью конденсатора. Ионистор изобретен довольно давно — в 50-х годах, но в таком виде как сейчас он существует с 1982 года. Первые ионисторы с малым внутренним сопротивлением для применения в мощных схемах были разработаны фирмой PRI в 1982 году.

С появлением ионисторов стало возможным использовать конденсаторы в электрических цепях не только как преобразующий элемент, но и как источник напряжения. Ионистор широко применяются в качестве замены батареек для хранения информации о параметрах изделия при отсутствии внешнего питания. Такие элементы имеют несколько преимуществ над обычными химическими источниками тока — гальваническими элементами и аккумуляторами:

• Высокие скорости заряда и разряда.
• Простота зарядного устройства
• Малая деградация даже после сотен тысяч циклов заряда/разряда
• Малый вес по сравнению с электролитическими конденсаторами подобной ёмкости
• Низкая токсичность материалов
• Неполярность (хотя на ионисторах и указаны «+» и «-«, это делается для обозначения полярности остаточного напряжения после его зарядки на заводе-изготовителе).

Плотность энергии ионисторов пока еще в несколько раз меньше возможностей аккумуляторов. Например, плотность энергии ионистора BCAP3000 3000Ф x 2.7В массой 0.51 кг составляет 21.4 кДж/кг. Это в 7.6 раз меньше плотности энергии свинцовых электролитических аккумуляторов, в 25 раз меньше литий-полимерных аккумуляторов, но в десятки раз больше плотности энергии электролитического конденсатора. Плотность мощности ионистора зависит от внутреннего сопротивления. В последних моделях ионисторов внутреннее сопротивление достаточно мало, что позволяет получать мощность, сравнимую с аккумуляторной.

В 1997 году исследователи из CSIRO разработали супер-конденсатор, который мог хранить большой заряд за счёт использования плёночных полимеров в качестве диэлектрика. Электроды были изготовлены из углеродных нанотрубок. У обычных конденсаторов удельная энергия составляет 0,5 Вт·ч/кг, а у конденсаторов PET она была в 4 раза больше.

В 2008 году исследователи разработали опытный образец ионистора на основе графеновых электродов, обладающий удельной энергоёмкостью до 32 Вт·ч/кг, сравнимую с таковой для свинцово-кислотных аккумуляторов (30—40 Вт·ч/кг).

Срок службы ионисторов велик. Проводились исследования по определению максимального числа циклов заряд-разряд. После 100 000 циклов не наблюдалось ухудшения характеристик. Согласно недавним заявлениям сотрудников MIT, ионисторы могут в скором времени заменить обычные аккумуляторы. Кроме того, в 2009 году были проведены испытания аккумулятора на основе ионистора, в котором в пористый материал были введены наночастицы железа. Полученный двойной электрический слой пропускал электроны в два раза быстрее за счет создания туннельного эффекта.

Новая конструкция суперконденсатора, предложенная специалистами из Nanotek Instruments Inc. (США), имеет электроды, состоящие из графена с примесями повышающего проводимость ацетилена и связующего вещества PTFE. В качестве электролита использовалось вещество, известное в электрохимии как EMIMBF4. К слову, именно эта научная группа в 2006 году впервые предположила, что графен в принципе может использоваться для создания подобных устройств. В результате применения указанных веществ ученые создали в защитной камере конденсаторы размерами не больше монеты.

Энергетическая плотность полученного устройства по порядку сравнима с никель-металлогидридными батареями. Если говорить о цифрах, то плотность энергии в созданном устройстве – порядка 85,6 Вт*час/кг при комнатной температуре и порядка 136 Вт*час/кг при 80 градусах по шкале Цельсия. Однако, как было отмечено выше, устройство имеет громадное преимущество по сравнению с привычными батареями, заключающееся в том, что оно может быть заряжено и разряжено чрезвычайно быстро. Сами разработчики считают свое творение настоящим технологическим прорывом. Возможность быстрого заряда означает, что в будущем подобная конструкция может использоваться для питания мобильных телефонов и другой пользовательской портативной техники.

Суперконденсаторы Российского производства

В Национальном исследовательском технологическом университете России МИСиС в сотрудничестве с компанией ТЭЭМП, на основе уникального материала, схожего с графеном и нанотрубками, разработали супер конденсаторы, которые применили в системах для запуска двигателей тяжелой техники при экстремально низких температурах.

Внутри суперконденсатора — наноуглеродный материал из органического волокна с высокой проводимостью тока и повышенной удельной энергоемкостью – до 20 Ф/куб.см активной массы (одно из распространенных в научной среде его названий — «вискерсы») и низкой себестоимостью производства. Новая идеология сборки модулей суперконденсаторов, снижающая трудоёмкость изготовления накопителей, и оригинальная технология получения электродных материалов из органических волокон в перспективе позволяют снизить себестоимость изготовления накопителя энергии почти в 3 раза, — говорят представители компании «ТЭЭМП». Производство новейших российских суперконденсаторов по описанной выше технологии планируется запустить в первом квартале 2017 года в Московская области.

Первая линейка устройств с использованием суперконденсаторов нового типа уже создана. Разработчики акцентируют в ней внимание на системе запуска двигателей, «содержащей внутри гибридный накопитель электроэнергии на основе модуля суперконденсаторов и бензиновый генератор». Она способна работать в автономном режиме, не требует наличия электросети и в заряженном состоянии может 10 раз подряд завести, к примеру, тяжелый самосвал при температурах от -40 °C до -60° C. Система может использоваться для запуска самолетов малой авиации, которые требуют большой мощности в короткий промежуток времени, что быстро выводит обычные аккумуляторы из строя. Такое устройство уже тестировалось осенью 2016 года для запуска военной техники и получило положительные отзывы.

Ионистор — устройство, применение, технические параметры

Бывают ситуации, когда реализовать автономное питание на основе одной аккумуляторной батареи не представляется возможным из-за образования больших кратковременных токов. В этом случае совместно использовался высоковольтный конденсатор большой емкости, пока не стали применять ионистор вместо аккумулятора или одновременно с ним.

В работе этого класса приборов заложена технология, благодаря которой создается двойной электрический слой (EDLC), этим они выгодно отличаются от устройств, где для накопления заряда эксплуатируются химические реакции, как обратимые (аккумулятор), так и необратимые (батарея).

Несмотря на то, что ионисторы появились относительно недавно, их изготовление налажено многими производителями как в нашей стране, так и за рубежом, эти радиодетали выпускают такие компании, как: Palm, Epcos, Elna и т.д.

Ионисторы Maxwell

Внутренне устройство

Ионисторы тем отличаются от конденсаторов, что их конструкция не предполагает использование диэлектрика между электродами, при изготовлении последних подбираются вещества, с противоположным потенциалом заряда. Упрощенное устройство этих радиодеталей показано на рисунке.

Устройство классических ионисторов

Условные обозначения:

• a, b – электроды;
• с –сепаратор;
• d – активированный уголь.

От того, какова площадь «обкладки» конденсатора, зависит его емкость, именно с этой целью в качестве электродов в устройствах используется активированный уголь или вспененный углерод, которые помещаются в электролит. Назначение сепаратора – не допустить короткое замыкание электродов.

В качестве электролита может выступать твердый или кристаллический раствор щелочи либо кислоты. Заметим, что в современных изделиях данный тип электролита не используется из-за своей высокой токсичности.

На рисунке ниже в качестве примера изображена конструкция ионисторов серии EN, изготовленных компанией Panasonic.

Конструкция серии EN

На рисунке обозначены:

• a – электроды (в качестве материала выступает активированный уголь);
• b, e – верхняя и нижняя часть корпуса;
• с – сепаратор;
• d – уплотнительный изолятор.

Параметры

Основные электрические характеристики ионисторов включают в себя:

• емкость, для ее измерения используется единица Фарад (Ф);
• внутреннее сопротивление (Ом);
• максимальный ток разряда (А);
• величина номинального напряжения (В)
• параметры саморазряда и разряда, последний довольно важный параметр, поэтому приведем формулу, по которой можно произвести расчет времени разряда ионистора: где:

t – время разряда, измеряется в секундах (с);

С – емкость устройства (Ф);

V₁, V₂ – начальное и конечное значение диапазона напряжений, при которых проводилось тестирование;

I – величина тестового тока (А).

Положительные и отрицательные стороны

К числу безусловных преимуществ этих устройств относятся следующие качества:

• разрядка и заряд устройства не занимает много времени, что позволяет их использовать в тех случаях, когда аккумуляторы установить не представляется возможным из-за долгой подзарядки;
• по сравнению с аккумуляторными батареями у ионисторов значительно больше циклов полного заряда-разряда устройства;
• чтобы произвести подзарядку, не понадобится специальное зарядное оборудование, следовательно, упрощается обслуживание;
• радиодетали этого типа гораздо легче аккумуляторов и меньше их по габаритам;
• широкий диапазон рабочей температуры – от -40 до 70С°;
• срок эксплуатации во много раз больше, чем его имеют силовые конденсаторы и аккумуляторные батареи.

Как бы ни были хороши эти радиодетали, но у них есть и недостатки, которые несколько усложняют эксплуатацию, а именно:

• относительно высокая цена на ионисторы приводит к тому, что использование их в технике ведет к ее удорожанию. Как утверждают специалисты, в ближайшем будущем эта проблема будет решена, благодаря развитию новых технологий;
• низкие параметры номинального напряжения устройств, решением может служить последовательное соединение нескольких элементов (принцип такой же, как при подключении нескольких батареек). В этом случае потребуется установить шунт в виде резистора на каждый компонент;
• превышение температурного режима (нагрев более 70С°) становится причиной выхода из строя;
• данный тип радиодеталей не позволяет накапливать достаточно энергии, помимо этого они обладают небольшой энергетической плотностью (то есть не столь мощные, как аккумуляторы), что несколько сужает сферу их применения. Параллельное подключение нескольких элементов позволяет частично справиться с этой проблемой.

Отдельно следует заметить, что суперконденсаторы относятся к элементам, подключение которых требует, чтобы была соблюдена полярность. Нельзя допускать короткое замыкание устройства, поскольку оно станет причиной, из-за которой повысится температура, и радиоэлементу потребуется замена.

Применение

Сфера применения ионисторов довольно обширна, но наиболее часто они используются как аварийный или резервный блок питания для таймера или микросхем памяти в различных устройствах, начиная от телефонов и заканчивая музыкальными центрами, телевизорами, видеокамерами и т.д.

Видео: эффективность в применении ионистора

Делались и довольно экзотические эксперименты по применению суперконденсаторов, в частности, на их основе пытались создать гаусс оружие (электромагнитную пушку).

Типичная схема включения суперконденсаторов, как источников питания, показана на рисунке.

Схема подключения резервного питания

Обозначение на схеме:

U – подключение к основному источнику питания;

D1 – диод, не допускающий утечки заряда ионистора, когда отсутствует основное питание;

R1 – резистор, служит для двух целей:

• ограничение тока зарядки;
• исключает перегрузку основного источника питания во время включения напряжения;

C – резервный источник питания на базе ионистора;

Rn – сопротивление нагрузки.

Заметим, что без резистора (обозначение на схеме — R1) можно обойтись, если характеристики источника питания допускают кратковременное повышение тока нагрузки до 250 мА.

Помимо приведенного примера использования в быту, ионисторы могут применяться, чтобы подключить светодиод в маломощном фонарике, при этом зарядка может производиться от энергии солнечной батареи.

Приведем еще один распространенный пример использования данного устройства для запуска двигателя автомобиля. Схема подобной реализации показана на рисунке.

Схема: пусковое устройство для двигателя автомобиля

Данная схема может быть реализована на любом легковом автомобиле, где напряжение бортовой сети 12V, обозначения на рисунке:

• 1,2, 3 – клеммы подключения (1 к положительному контакту АКБ, 2 – к отрицательному, 3 соединяется с замком зажигания);
• Кс – замок зажигания;
• B1 – АКБ автомобиля;
• K1, K1.1 – контактор и его управляющий ключ;
• С — суперконденсатор;
• Rc – резистор, ограничивающий ток зарядки ионистора С.

В схеме используется суперконденсатор (маркировка: 12ПП-15/0,002), у которого следующие характеристики:

• максимальное номинальное напряжение – 15В;
• емкость – 216Ф;
• величина внутреннего сопротивления – 0,0015 Ом;
• номинальный ток – 2кА.

Перечисленных выше характеристик будет достаточно для запуска двигателя мощностью до 150 л.с. Время зарядки ионистора — не более 5 секунд, после включения стартера в течение первых нескольких секунд основная токовая нагрузка будет идти на суперконденсатор, поскольку внутренне сопротивление у АКБ больше.

Подобное пусковое устройство, в котором используется ионистор, можно купить готовое, но сделать своими руками обойдется значительно дешевле.