Superkapacitory. Prof. Ing. Jaroslav Boušek, CSc. Fakulta elektrotechniky a komunikačních techologií VUT v Brně

Rozměr: px

Začít zobrazení ze stránky:

Download "Superkapacitory. Prof. Ing. Jaroslav Boušek, CSc. Fakulta elektrotechniky a komunikačních techologií VUT v Brně"

Miroslav Svoboda
před 8 lety
Počet zobrazení:

1 Superkapacitory Prof. Ing. Jaroslav Boušek, CSc. Fakulta elektrotechniky a komunikačních techologií VUT v Brně

2 Kapacitor s pevným dielektrikem Dielektrikum mezi elektrodami Polarizace dielektrika C S 0. r d C MAX ~ 10M = 0,00001 F FEKT VUT v Brně Superkapacitory / J.Boušek 2

3 Elektrolytický kondenzátor Porézní hliníková elektroda Vrstva Al 2 O 3 Polarizace dielektrika C S 0. r d C MAX ~ M = 0,01 F FEKT VUT v Brně Superkapacitory / J.Boušek 3

4 Superkapacitor Náboj : Ionty zachycené v porézní elektrodě BEZ CHEMICKÉ REAKCE!! Electrochemical Double Layer Capacitor (EDLC) C MAX ~ F!!!! FEKT VUT v Brně Superkapacitory / J.Boušek 4

5 Srovnání typických hodnot C dq du I. dt du Q C. U FEKT VUT v Brně Superkapacitory / J.Boušek 5

6 Využití energie ze superkapacitoru Je třeba splnit : 1) Využití veškeré energie v superkapacitoru. 2) Pracovní napětí zařízení je konstantní. Závěr: Pro nabíjení i vybíjení je nutný měnič. FEKT VUT v Brně Superkapacitory / J.Boušek 6

7 Využití energie ze superkapacitoru Pracovní napětí zařízení musí být větší než U SCmax. Nabíjení baterie superkapacitorů, propustný měnič S2 Vybíjení baterie superkapacitorů, blokující měnič S1 FEKT VUT v Brně Superkapacitory / J.Boušek 7

Nabíjení baterie superkapacitorů, propustný měnič S2

8 Výhody supekapacitorů Nejvýznamnější výhody: - velký (prakticky neomezený) počet cyklů - velmi nízká impedance (sériový odpor) - nabití ve velmi krátké době - možnost dodání velkého výkonu - vysoká účinnost nabíjecího / vybíjecího cyklu (větší než 95%). - pokud je omezeno max. napětí nehrozí přebíjení - pracuje v rozmezí - 40 C - 65 C FEKT VUT v Brně Superkapacitory / J.Boušek 8

vysoká účinnost nabíjecího / vybíjecího cyklu (větší než 95%). - pokud je omezeno max.

9 Nevýhody supekapacitorů Nejvýznamnější nevýhody : - ve srovnání s Li-ion podstatně dražší - nízká hustota akumulované energie (5 Wh/kg x 120 Wh/kg pro Li-ion ) - při vybíjení klesá napětí nutný měnič - maximální napětí velmi malé ( 0,9 V vodní elektrolyt / 2,7 V organický elektrolyt) - velké samovybíjení (ve srovnání se standardními akumulátory) Zapojování do série je komplikováno : - svodovými proudy - nestejnou hodnotou kapacit jednotlivých superkapacitorů FEKT VUT v Brně Superkapacitory / J.Boušek 9

elektrolyt / 2,7 V organický elektrolyt) - velké samovybíjení (ve srovnání se standardními akumulátory) Zapojování do série je

10 Zásady pro použití superkapacitorů Nabíjení - mohou být vybity až do nulového napětí - nevyžadují kontrolované nabíjení Sledované provozní parametry: - maximální provozní napětí - teplota Aktuální stav je určen sériovým odporem (ESR): - diagnostika případného opotřebení - měření krátkým vybíjecím pulsem Napětí je úměrné absorbovanému náboji: - jednoznačně určuje stav nabití - jednoznačné určuje ukončení cyklu nabíjení (U SC = U SCmax ) FEKT VUT v Brně Superkapacitory / J.Boušek 10

diagnostika případného opotřebení - měření krátkým vybíjecím pulsem Napětí je úměrné absorbovanému náboji: - jednoznačně

11 Typické použití superkapacitorů Schopnost dodat a absorbovat značné proudy. Malé zdroje pro napájení elektrických spotřebičů: - dlouhá životnost / neomezený počet cyklů Výkonové aplikace - akumulace energie : - brzdění vlaku (Čína) - spouštění nákladu přístavním jeřábem (Japonsko) - krátkodobá zátěž, rekuperace - autobusy, trolejbusy, - natáčení lopatek větrných turbín FEKT VUT v Brně Superkapacitory / J.Boušek 11

aplikace - akumulace energie : - brzdění vlaku (Čína) - spouštění nákladu přístavním jeřábem (Japonsko)

12 Typické použití superkapacitorů Posílení elektrochemických zdrojů: - paralelní spojení - schopnost dodat a absorbovat značné proudy. - odlehčení hlavního zdroje - zvýšení životnosti Baterie - malý rozsah pracovního napětí: - nevyužije se celý napěťový rozsah superkapacitoru!!! - využívá se jen část akumulačních schopností - případné využití spínaných měničů?? Palivové články větší rozsah pracovních napětí: - lepší využití akumulačních schopností superkapacitoru FEKT VUT v Brně Superkapacitory / J.Boušek 12

- odlehčení hlavního zdroje - zvýšení životnosti Baterie - malý rozsah pracovního napětí: - nevyužije se celý napěťový rozsah

13 Perspektivní použití superkapacitorů Náhrada akumulátorů pro aplikace v dopravě? USD/ kwh 400 USD/ kwh (250 USD/ kwh) 5Wh/ kg 120 Wh/ kg (200 Wh/ kg).. nové elektrodové systémy, nanotrubice, grafén? nové typy elektrolytů? FEKT VUT v Brně Superkapacitory / J.Boušek 13

10 000 USD/ kwh 400 USD/ kwh (250 USD/ kwh) 5Wh/ kg 120 Wh/ kg (200

14 Výroba USA Jihovýchodní Asie Čína Maxwell (USA) NESSCap (Korea), Panasonic, NEC (Japonsko) Ao-wei, Shuangdeng (China) Evropa odhady 5-10%: Epcos (SRN), ECOND (Rusko) FEKT VUT v Brně Superkapacitory / J.Boušek 14

15 Sériové zapojení superkapacitorů Maximální povolené napětí je velmi nízké: U SCmax = 0,9 V pro vodou rozpustné elektrolyty U SCmax = 2,3 3,3 V pro organické elektrolyty Pro větší napětí je nutné řazení do série. Příklad: Pro jmenovité napětí 120 V potřebujeme přibližně: a) U SCmax = 0,9 V ks b) U SCmax = 2,7 V ks Při sériovém zapojení musí být zajištěno: - vyrovnání rozptylu hodnoty nominální kapacity - vyrovnání rozptylu svodového proudu (samovybíjení) FEKT VUT v Brně Superkapacitory / J.Boušek 15

Příklad: Pro jmenovité napětí 120 V potřebujeme přibližně: a) U SCmax = 0,9 V... 150 ks b) U SCmax = 2,7 V.

16 Sériové zapojení superkapacitorů Svodový proud - s ohledem na množství akumulované energie relativně velký - závisí na teplotě a napětí - proměnný s časem Rozptyl kapacity - různé napětí při nabití - při vybíjení může dojít k přepólováni FEKT VUT v Brně Superkapacitory / J.Boušek 16

proměnný s časem Rozptyl kapacity - různé napětí při nabití - při

17 Sériové zapojení superkapacitorů Pasivní vyrovnání odporový dělič : - proud děličem cca 10 x větší než svodový proud - velké ztráty v režimu baterie Příklad: 1) Zvolíme I R = 2 μa / F 2) Pro C SC = 3000 F: I R = 6 ma!!! FEKT VUT v Brně Superkapacitory / J.Boušek 17

v režimu baterie Příklad: 1) Zvolíme I R = 2 μa / F 2) Pro C SC =

18 Sériové zapojení superkapacitorů Aktivní vyrovnání - nelineární zpětná vazba: - zajišťuje vyrovnání napětí na jednotlivých článcích - řádově menší ztráty - specializované IO (LTC3225 IC / Odběr naprázdno :4 μa) FEKT VUT v Brně Superkapacitory / J.Boušek 18

článcích - řádově menší ztráty - specializované IO (LTC3225 IC

19 Sériové zapojení superkapacitorů Vyrovnání nastavením stejného napětí: - při nabití nastaveno stejné napětí - při vybití se napětí změní (aktuální kapacita, svody) - při opětném nabití se vrátí na původní hodnotu FEKT VUT v Brně Superkapacitory / J.Boušek 19

napětí změní (aktuální kapacita, svody) - při opětném nabití se

20 Sériové zapojení superkapacitorů Závěry z praxe: Pasivní vyrovnání proudů: - postatně levnější, jednodušší a spolehlivější - ve většině případů dostačující Aktivní vyrovnání (proudů) a napětí: - složité, nákladné, menší spolehlivost - v některých případech nutné FEKT VUT v Brně Superkapacitory / J.Boušek 20

dostačující Aktivní vyrovnání (proudů) a napětí: - složité, nákladné, menší

21 MAXWELL : 125 Volt Transportation Module FEKT VUT v Brně Superkapacitory / J.Boušek 21

22 MAXWELL : 125 Volt Transportation Module FEKT VUT v Brně Superkapacitory / J.Boušek 22

23 ENERGY HARVESTING Účel : Zachycení energie, která je v okolí k dispozici Měniče: - fotovoltaické + magnetodynamické - tepelné + piezoelektrické - elektrochemické +... Využití - napájení autonomních spotřebičů: - velmi malé výstupní napětí měničů - ideální pro superkapacitory - obvykle nezbytný DC/DC měnič Měniče DC/DC pro Energy Harvesting - velmi malý zpracovávaný výkon - srovnatelný s výkonem nutným pro řízení měniče - speciální obvodová řešení FEKT VUT v Brně Superkapacitory / J.Boušek 23

24 Superkapacitory: Již dnes vynikající vlastnosti pro řadu aplikací. Alternativa pro akumulátory pokud nové typy elektrod a elektrolytů umožní podstatné zvýšení hustoty energie. Při využití potenciálu Energy Hervesting mohou sloužit jako velmi výhodná náhrada baterií. FEKT VUT v Brně Superkapacitory / J.Boušek 24

25 Dotazy a připomínky. FEKT VUT v Brně Superkapacitory / J.Boušek 25

26 Děkuji za pozornost. FEKT VUT v Brně Superkapacitory / J.Boušek 26

Podobné dokumenty

Superkapacitory v dopravní technice

Zdeněk Mašek 1, Stanislav Gregora 2, Jan Michl 3, Karel Dvořák 4 Superkapacitory v dopravní technice Klíčová slova: akumulace energie, akumulátor, superkapacitor, palivový článek, elektrická trakce, alternativní