Компания Eaton Electronics является одним из ведущих поставщиков суперконденсаторов. Ассортимент продукции включает десятки серий, разработанных в различных форматах (от миниатюр до модулей, предназначенных для коммерческого транспорта). Компания предлагает как компоненты, изготовленные с использованием «классических» технологий, так и инновационные запатентованные решения, разработанные в собственных лабораториях. Этот портфель открывает широкий спектр возможностей для разработчиков и производителей электротехнических/электронных устройств. Ниже мы приводим обзор суперконденсаторов Eaton, представленных в нашем каталоге, а также потенциальные области применения и рекомендуемые поставщиком конструктивные решения.

В данной статье рассматриваются такие темы, как:

  • Конструктивные различия между типами суперконденсаторов
  • Компоненты серии Eaton и их характеристики
  • Преимущества гибридных решений
  • Суперконденсаторы для устройств Интернета вещей и смежных приложений
  • Конденсаторы, предназначенные для мощных цепей
  • Передовые методы использования суперконденсаторов
  • Методы балансировки блоков питания
  • Для чего используются суперконденсаторы в системах IoT и LoRa?
  • Продление срока службы батарей в электромобилях

Серия суперконденсаторов Eaton и их характеристики

Главное преимущество суперконденсаторов Eaton заключается в их разнообразии. Это проявляется в нескольких аспектах: ассортимент включает компоненты с емкостью, размерами и, следовательно, назначением. Кроме того, Eaton обеспечила разнообразие характеристик своей продукции, включая типы с низким эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR), компоненты, рассчитанные на высокие напряжения, широкий температурный диапазон (-40 до +85°C)и многое другое.

Разделение на основе структурных характеристик

Состав электролита, используемого в суперконденсаторах, существенно влияет на их характеристики. Продукция Eaton может быть разделена на несколько групп на основе этих критериев, включая три описанные ниже и гибридные решения, которые рассматриваются в отдельном разделе.

пропиленкарбонат

Пропиленкарбонат, используемый в последовательностях типа B, HB, KR и KW, представляет собой негорючее, экологически чистое соединение с превосходными тепловыми свойствами , позволяющими ему работать в диапазоне температур от -25°C до 70°C. На эти конденсаторы не распространяются ограничения по транспортировке. Недостатком является относительно низкое максимальное напряжение зарядки — 2,5 В.

Ацетонитрил

Ацетонитрил позволяет значительно увеличить емкость (до 80%), напряжение до 2,7 В и снизить эквивалентное последовательное сопротивление (ESR). Компоненты, использующие этот электролит, выдерживают более низкие температуры (до -40°C). Однако при воздействии огня они выделяют токсичные пары, что накладывает некоторые ограничения на их использование. Ацетонитрил используется в последовательностях, таких как HV, XV, XL60 2,7 В, XVM и XLM.

Собственные рецептуры Итона

Суперконденсаторы серий TV, XT и XL60 3,0 В содержат запатентованные электролиты , обеспечивающие оптимальную производительность. Эти компоненты немного дороже, но обеспечивают высокую емкость, низкий ток утечки, низкое эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), напряжение до 3 В и самую высокую доступную плотность мощности.

Краткое описание серии работ Итона

Для лучшего понимания разнообразия суперконденсаторов, предлагаемых компанией Eaton, полезно рассмотреть сегментацию их компонентов по сериям. Каждая группа не только обладает уникальными конструктивными характеристиками, но и оптимизирована для конкретных областей применения.

Стандартные цилиндрические суперконденсаторы

Во многих схемах, таких как преобразователи и системы стабилизации напряжения, суперконденсаторы используются в основном из-за их высокой емкости и низкого эквивалентного последовательного сопротивления (ESR). Для таких применений требуются компоненты в стандартных цилиндрических корпусах с технологией монтажа через отверстия (THT). Серии B, HB и HV представляют собой наиболее типичные продукты Eaton в этой категории.

Серия B1010-2R5155-R
 

HB1840-2R5606-R
Серия HB

HV1325-2R7156-R
Серия HV

Компоненты серии B подходят для схем источников бесперебойного питания (ИБП), импульсных источников питания и сетевых системсерий HB и HVзаказчики получают компоненты с более высокими значениями емкости (до 110 мкФ), которые идеально подходят для более сложных применений, таких как системы возобновляемой энергии (солнечная энергетика), датчики мощности, а также, благодаря низкому току утечки и диапазону температурной устойчивости от -25°C до 85°C, газовые и водомеры, а также другие измерительные приборы или датчики, оснащенные модулями беспроводной связи.

Гибридная технология

Запатентованная компанией Eaton гибридная технология суперконденсаторов использует два типа электродов: один сконструирован как стандартные конденсаторы, а другой — аналогично аккумуляторным батареям. Это обеспечивает исключительные характеристики продукта, включая срок службы до 20 лет в оптимальных условиях.

HS1016-3R8306-R
Серия HS

HSL1016-3R8306-R
   Серия HSL

Ключевой особенностью гибридных конденсаторов является их необслуживаемая работа. В сочетании с традиционными батареями они служат отличным источником питания для удаленных устройств (датчиков, счетчиков) благодаря низкому току утечкиэквивалентное последовательное сопротивление (ESR) делает их подходящими для цепей, требующих значительной мощности, таких как аварийные источники питания для промышленного оборудования, медицинских приборов или систем сигнализации.

Низкопрофильные и миниатюрные версии

Суперконденсаторы являются идеальным источником дополнительной энергии для приложений, требующих относительно высокого тока в течение коротких периодов времени или с перерывами. Эта характеристика используется, например, в устройствах Интернета вещей (IoT), где компонент заряжается небольшим током от солнечных батарей, генераторов или аккумуляторов, а затем используется для питания радиочастотного модуля, передатчика сигнала, исполнительного механизма или других мощных компонентов.

KR-5R5H224-R
   Серия KR

KVR-5R0V155-R
  Серия KVR

KW-5R5C224-R
       Серия KW

Компания Eaton предлагает низкопрофильные конденсаторы и батарейки-таблетки для резервного питания цепей IoT и RTC (а также миниатюрные компоненты, описанные ниже). Они работают от постоянного тока напряжением 5 В или 5,5 В, с емкостью от 0,1 Ф до 1,5 Ф.Выводы предназначены для монтажа на высоковольтных выводах с шагом 5 мм или 10 мм.

PHB-5R0V305-R
  PB и PHB

PHV-5R4H505-R
  Серия PHV

PHVL-3R9V505-R
 Серия PHVL

Серия PM-5R0V104-R
  

Также доступны компактные суперконденсаторы прямоугольной формы с ёмкостью до 5 Ф.Особого внимания заслуживают модели серии PHVL, отличающиеся самым низким током утечки (всего 1 мкА) и диапазоном термостойкости от -40°C до 85°C. Эти впечатляющие параметры делают их идеальными для таких применений, как питание часов реального времени и энергозависимой памяти, а также для обеспечения резервного/стабилизирующего тока во время переключения источников питания в перезаряжаемых устройствах.

Повышенная емкость и рабочее напряжение

Конденсаторы серий XL60, XV и XB отличаются высокой емкостью. Эти компоненты предназначены для силовых применений и цепей с высокими токами, таких как модули рекуперативного торможения в электромобилях (EV, гибридах), стартеры и цепи промышленных машин, и многое другое.

XL60-2R7308T-R
 Серия XL60 (мощность 1 кФ, 2,7 В)

XV3560-2R7407-R
Серия XV (300…600F, 2,7 В)

XB3585-2R5607-R
Серия XB (300…600F, 2,5 В)

Наибольшая доступная емкость (3 кФ при 2,7 В постоянного тока) достигается в серии XL60. Это цилиндрические суперконденсаторы с винтовыми клеммами, обеспечивающими минимальное сопротивление соединения и, следовательно, способные выдавать очень высокие токи. Они также отличаются высокой эффективностью (более 98%). Производитель рекомендует их для самых требовательных применений, включая тяжелую технику (краны, строительную и горнодобывающую технику), а также грузовые автомобили. Их высокая емкость делает их пригодными для подавления колебаний напряжения в цепях электропитания.

Серия телевизоров TV1020-3R0605-AP (3 В, 3,3…100 Ф)
  

TVA1840-3R0606-R
   Серия TVA (3 В, 25…100 Ф)

В своих конденсаторах серии TV компания Eaton использует материалы, разработанные для достижения максимальной плотности мощности и емкости (до 100 Ф) при одновременном исключении вредных для окружающей среды веществ. Кроме того, компоненты TVA соответствуют стандарту AEC-Q200, что означает их пригодность для использования в автомобильной. Они особенно полезны в качестве автономных источников питания или в сочетании с традиционными батареями для питания центральных замков и видеорегистраторов. Их применение также ожидается в цепей, которые питают компоненты транспортных средств (включая новые автомобили с системой постоянного тока 48 В).

Комплекты XLR

Описанные выше суперконденсаторы XL60 предлагаются в заводских сборках под маркой серии XLR. Один модуль может быть рассчитан на напряжение 16,2 В, 48,6 В или 51,3 В постоянного тока (в зависимости от модели) и иметь диапазон емкости от 160 мкФ до 500 мкФ. Каждый модуль заключен в компактный корпус с балансировочной схемой, включающей защиту от перенапряжения и перегрева компонентов. Эти изделия предназначены для таких отраслей, как грузовой и общественный транспорт (автомобильный, железнодорожный, морской) и тяжелая техника. Благодаря суммарной емкости и исключительным параметрам конденсаторов XL60, этот тип модулей может заменить другие типы источников питания, что приводит к снижению эксплуатационных расходов, уменьшению шума и повышению стабильности систем электропитания.

XLR-16R2507-R.
Корпус имеет сильноточные винтовые разъемы и контрольный кабель.

Особенности и конструктивные решения

Применение суперконденсаторов в схемах требует учета тех же факторов, что и при использовании конденсаторов меньшей емкости, однако эти компоненты также используются для хранения больших запасов энергии в течение более длительных периодов времени. Это влечет за собой дополнительные ограничения, которые необходимо учитывать при проектировании схем и устройств.

Базовая защита упаковки

Во-первых, схема должна обеспечивать защиту конденсаторов от обратного напряжения, а это значит, что она должна включать выпрямительные диоды для регулирования тока.

Преждевременная деградация

Ввиду высокой производительности и деградации электролита в суперконденсаторах, на этапе проектирования крайне важно учитывать изменение номинальных характеристик компонентов с течением времени из-за старения и эксплуатации . Естественно, изменения параметров происходят медленно: для компонентов марки Eaton это следует учитывать в течение 10 лет. Поэтому для таких применений, как схемы ИБП или медицинские приборы, целесообразно предусмотреть снижение емкости на 20% и увеличение эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) в 1,7 раза. Для промышленных контроллеров машин и источников питания допуск следует установить на уровне -30% емкости и удвоения ESR, а для автомобильных систем (где конденсаторы подвергаются наиболее интенсивной эксплуатации) хорошей практикой будет предположить снижение емкости на 50% и утроение ESR.

Выбор подходящего напряжения

На деградацию влияют несколько факторов, таких как рабочая температура ; однако наибольшее влияние оказывает максимальное напряжение, при котором работают конденсаторы . Наиболее эффективный способ продлить срок службы компонентов — поддерживать напряжение ниже номинального значения (в идеале около 85%) и использовать разрядные элементы для конденсаторов, когда накопление энергии не требуется (например, после остановки оборудования).

Тепловые аспекты

Как уже упоминалось ранее, высокие температуры также влияют на срок службы суперконденсаторов. При проектировании целевого устройства важно учитывать это явление и оптимально располагать компоненты с точки зрения теплоотвода. Это прежде всего означает размещение конденсаторов вдали от типичных источников тепла в цепи, таких как транзисторы, усилители, индукторыи т. д.

Подключение конденсатора и балансировка корпуса

Из-за своих характеристик суперконденсаторы ограничены относительно низкими напряжениями (обычно 2,7 В, максимум до 3 В). Поскольку этого недостаточно для большинства применений, компоненты соединяются последовательно в корпусах. Здесь необходимо решить две основные проблемы. Во-первых, учитывая вышеупомянутую чувствительность к температуре, крайне важно обеспечить равномерное распределение температуры между компонентами. Это предотвращает преждевременную деградацию любого элемента, что может привести к сбою питания. Вторая проблема — балансировка корпуса, обеспечивающая равномерный уровень заряда/разряда конденсаторов внутри корпуса. Без такой системы срок службы конденсаторов в корпусе может сократиться до 20–50% от их первоначального срока службы.

Методы балансировки делятся на диссипативные, предполагающие контролируемые потери энергии (включая пассивные и активные системы), и недиссипативные (косвенные и прямые), использующие сложные схемы регулирования напряжения, такие как стабилизаторы или преобразователи. Выбор решения зависит не только от желания продлить срок службы корпуса, но и от таких факторов, как экономическая эффективность и производственные возможности. Ключевые характеристики этих методов представлены ниже.

  • Пассивный балансир поддерживает срок службы конденсатора на уровне 70–90%, что делает его предпочтительным решением в системах с нечастыми (как минимум, ежедневными) циклами заряда-разряда и стабильной температурой окружающей среды. В таких системах используются резисторы или стабилитроны, соединенные параллельно с отдельными конденсаторами в корпусе. При использовании диодов следует предусмотреть охлаждение компонентов. Резисторы должны иметь минимально возможное значение, при условии, что ток через них не превышает 10-кратного номинального тока утечки конденсатора.
  • Активные системы основаны на операционных усилителях, что обеспечивает низкую стоимость внедрения. Они подходят для корпусов, где емкость отдельных ячеек не превышает 100 Ф. Компания Eaton разработала и запатентовала собственную конструкцию такого балансировщика (его схема находится в свободном доступе для заинтересованных лиц), оптимизированную для использования с суперконденсаторами компании. Eaton также предлагает вариант конструкции для мощных корпусов, требующих компонентов с емкостью более 100 Ф.
  • недиссипативных методов часто требуются специализированные интегральные схемы. Многие такие продукты уже доступны на рынке и специально разработаны с учетом характеристик суперконденсаторов. Они оснащены ограничителями напряжения , учитывающими температуру окружающей среды и контролирующими износ отдельных конденсаторов (например, путем генерации сигнала, указывающего на уменьшение емкости). В качестве альтернативы, для балансировки корпуса можно использовать схемы на основе повышающе-понижающих стабилизаторов напряжения.

Примеры применения

В тексте часто упоминаются типичные области применения суперконденсаторов, которые здесь кратко изложены с более подробными примерами. Эти области применения делятся на две категории: схемы, требующие высокой мощности , и схемы, где суперконденсатор служит компактным источником питания.

К мощным приложениям относятся, прежде всего, устройства, используемые для сбора и передачи энергии в течение коротких периодов времени. Примерами являются пусковые устройства для двигателей, источники бесперебойного питания (ИБП), системы рекуперативного торможения в электромобилях и схемы временного хранения энергии на электростанциях. В них используется способность суперконденсатора быстро поглощать и передавать большие импульсы энергии. Второй тип приложений практически противоположен: схемы, работающие с очень низкими токами (например, удаленные датчики), которые иногда остаются неактивными в течение многих дней, периодически активируясь для выполнения определенных задач (например, передачи данных, активации сервомеханизма и т. д.). В этом случае суперконденсатор выступает в качестве резервного источника питания.

Коммуникационные приложения Интернета вещей

Дистанционно управляемые устройства (например, датчики поля, счетчики воды/газа с дистанционным считыванием показаний) должны включать коммуникационные модули, как и схемы IoT , где передача данных является основной функцией. Использование Bluetooth или Wi-Fiможет не обеспечить существенных преимуществ; однако эти стандарты имеют ограничения. Bluetooth имеет небольшой радиус действия (до нескольких метров), в то время как Wi-Fi требует постоянного питания цепей током в сотни миллиампер, что не оптимально для многих приложений. Поэтому используются альтернативные решения, такие как LoRa ( Long Range) и NB (Narrow Band). Эти технологии позволяют осуществлять периодическую передачу данных (например, раз в день) на большие расстояния. В результате передающие устройства большую часть времени находятся в спящем режиме, пробуждаясь только для сбора данных (показания датчиков, геолокация и т. д.) или отправки их на устройство мониторинга.

В подобных проектах сочетание батарей и суперконденсаторов дает очевидные преимущества: элемент обеспечивает очень малые дозы энергии (50 мкА) для поддержания работы схемы (в течение нескольких лет, как в водомерах). При этом конденсатор питает только коммуникационный модуль, обеспечивая максимальную дальность действия. Такая конфигурация имеет ряд преимуществ: она может работать при очень низких температурах (суперконденсаторы обладают более широким температурным диапазоном). Снижение нагрузки на батарею (часто в виде одного элемента или батарейки-таблетки) увеличивает срок ее службы (а не только количество циклов зарядки). Кроме того, если энергия добавляется, например, с помощью небольших фотоэлектрических элементов, для зарядки литий-ионной батареи потребуется контроллер заряда-преобразователь, тогда как аналогичная схема для суперконденсаторов намного проще и вносит меньше потерь.

Увеличенный срок службы электромобильного блока

Научно-исследовательские мощности компании Eaton позволили провести обширные исследования по разработке транспортных средств на базе электромобилей. Основное внимание было уделено ожидаемым преимуществам замены «классической» энергетической системы, использующей только литий-ионные батареи (или водородные топливные элементы), на гибридное решение, сочетающее аккумуляторный блок с блоком суперконденсаторов. В то время как первый предназначен для высокой плотности энергии (т.е. емкости), второй превосходит по высокой плотности мощности. Таким образом, оптимальное решение предполагает использование энергии из обоих источников в зависимости от рабочих параметров двигателя: батареи обеспечивают ток при равномерном движении или плавном ускорении, а суперконденсаторы помогают при резких изменениях скорости (эффективно обеспечивая или накапливая энергию от системы рекуперативного торможения). Специалисты Eaton пришли к выводу, что прогнозируемый четырехлетний срок службы батарей, используемых в коммерческих автомобилях (фургонах и служебных автомобилях, таких как погрузчики), может быть удвоен за счет использования гибридной энергетической системы. Кроме того, это позволит уменьшить размер аккумуляторного блока, что, в свою очередь, приведет к снижению веса транспортного средства и эксплуатационных расходов (или к повышению рентабельности в случае транспортных средств).

Статья предоставлена ​​компанией Transfer Multisort Elektronik Sp. z oo