Особенности суперконденсаторов (ионисторов)

Конструкция и принцип работы суперконденсаторов определяют особенности этих устройств:

1) Суперконденсаторы обладают большой удельной емкостью и запасаемой энергией в сравнении с оксидно-электролитическими конденсаторами. Емкости суперконденсаторов достаточно для накопления определенного запаса электрической энергии для кратковременной работы исполнительных механизмов и радиоэлектронной аппаратуры в течение от 1 до 60+ секунд.

2) Суперконденсаторы имеют относительно низкие значения ЭПС, поэтому способны разряжаться большими токами до сотен ампер, имеют высокую удельную мощность. Низкое значение ЭПС обеспечивает минимальное падение напряжение при разрядке суперконденсатора и высокий уровень КПД в пределах 90-98%.

3) В суперконденсаторах нет химических реакций, поэтому они нечувствительны к уровню заряда, глубокому разряду (до нулевого значения), не требуют обслуживания, у них отсутствует «эффект памяти» и «пассивация», имеют одинаково высокую скорость зарядки и разрядки. Зарядка и разрядка суперконденсаторов может осуществляться в любом режиме в пределах допустимых значений тока.

4) При снижении рабочего напряжения на суперконденсаторе и/или снижении рабочей температуры можно достичь кратного увеличения срока службы в заданном режиме или частично нивелировать снижение основных параметров конденсатора, которые ухудшаются в течение срока службы.

5) Суперконденсаторы имеют длительный срок службы и большую наработку.

6) Суперконденсаторы способны достаточно длительно сохранять электрический заряд. Наибольшие потери происходят в первые 50-70 часов – до 20%, далее потери заряда значительно снижаются. В течение месяца суперконденсаторы сохраняют заряд на уровне 70%. Суперконденсаторы имеют токи утечки до значений на уровне 1мкА.

7) Суперконденсаторы стабильно работают в достаточно широком температурном диапазоне:
На АО «Элеконд» серийно выпускаются суперконденсаторы с рабочей температурой:
— минус 50…+65ºC (К58-26, К58-27, К58-28);
— минус 60…+65ºC (К58-29);
— минус 40…+65ºC с расширением до +85 ºC при снижении напряжения до 2,3В (К58-34, К58-36, К58-37 в 4 кв. 2024г.).

8) Суперконденсаторы имеют высокую стойкость к другим внешним воздействующим факторам: влажность, низкое давление, вибрация, механические удары и др.

9) Суперконденсаторы не взрываются и не являются источниками возгорания.
Суперконденсаторы по пожаро- и взрыво- безопасности аналогичны широко применяемым во всех отраслях промышленности алюминиевым оксидно-электролитическим конденсаторам.
При проектировании и производстве конденсаторы проходят испытания на пожаробезопасность (методом 409-1 по ГОСТ РВ 20.57.416.)

При очехлении конденсаторы находятся в камере тепла при температуре 300°С в течение 1 минут. Параметры конденсаторов остаются в допустимых пределах.

10) Суперконденсаторы имеют относительную химическую безопасность: токсичность основных веществ, применяемых при производстве электролита на уровне химических материалов массово применяемых в таких областях как медицина, строительство, сельское хозяйство и в бытовых условиях (краски, герметики, шпаклевка, дезинфектанты, перекись водорода (в определенной концентрации), инсектициды, фунгициды, регуляторы роста растений и т.д.). Также стоит учитывать, что токсичность проявляется при воздействии относительно большого объема электролита в течение определенного времени.

С другой стороны, суперконденсаторы имеют и ряд ограничений:

1) В сравнении с аккумуляторами суперконденсаторы имеют в разы меньшую удельную запасаемую энергию, поэтому в аппаратуре, где требуется длительное питание прямая замена аккумуляторов на суперконденсаторы нецелесообразна. Наиболее предпочтительны приложения, где требуется кратковременное питание, питание большими токами, необслуживаемость, длительный срок службы и наработка. Не исключается применение суперконденсаторов для длительного питания малыми токами (мА, мкА), поскольку имеют относительно низкий саморазряд.
Также суперконденсаторы применяют совместно с аккумуляторами для снижения нагрузки с них и увеличения срока службы.

2) В отличие от аккумуляторов напряжение суперконденсаторов напрямую зависит от степени их заряда. Таким образом, напряжение на выводах суперконденсаторов линейно увеличивается, когда конденсатор заряжен и линейно уменьшается, когда он разряжен. Принимая во внимание процесс разрядки, это свойство, очевидно, является неблагоприятным, поскольку электронным устройствам для работы необходимо постоянное рабочее напряжение.

Решение: для поддержания заданного уровня напряжения на выходе модулей суперконденсаторов необходим повышающий преобразователь напряжения.

3) Суперконденсаторы имеют достаточное низкое внутреннее сопротивление, поэтому при зарядке источником питания постоянного напряжения необходимо ограничивать силу тока при помощи защитного резистора.

4) Суперконденсаторы имеют относительно низкое рабочее напряжение 2,7В.

Решение: на основе суперконденсаторов нами разработаны различные модули с диапазоном напряжений от 5 до 48В, также разрабатываются и выпускаются модули по индивидуальным требованиям заказчиков.

5) Суперконденсаторы имеют максимальную рабочую температуру +65°С
Решение: в 2024 году на АО «Элеконд» выйдет новая серия суперконденсаторов К58-36 с возможностью эксплуатации при +85ºС со снижением рабочего напряжения до 2,3В.

6) Необходима балансировка суперконденсаторов в составе модулей
При последовательном соединении суперконденсаторов необходимо учитывать, что напряжение на конденсаторах будет распределено в соответствии с фактическими значениями их емкостей. На конденсаторах с меньшей емкостью может возникнуть перенапряжение, что при длительном воздействии приведет к деградации электролита и выходу конденсатора из строя.

Решение: с целью предупреждения перенапряжения на суперконденсаторах необходимо:

— обеспечить запас по напряжению для суперконденсаторов в составе модулей;

— использовать пассивную схему балансировки в качестве устройства выравнивания напряжений при низких зарядных токах и относительно редком срабатывании;

— использовать активную схему балансировки для исключения перенапряжения на суперкондесаторах.

Во всех модулях нашего производства используется активная схема балансировки, которая значительно снижает вероятность перенапряжения на конденсаторах.

7) Суперконденсаторы чувствительны к высоким температурам.

Решение: необходимо учитывать данную особенность при построении больших мощных систем на основе суперконденсаторов, при длительной работе суперконденсаторов большими токами, а также при использовании суперконденсаторов при температурах выше рабочих. В данных условиях требуется применение систем принудительного охлаждения, а также снижение напряжения на каждом суперконденсаторе ниже номинального.