Расчет накопителя на суперконденсаторах

В данной статье приведен стандартный подход к расчету суперконденсаторов в составе накопителя энергии. Данный расчет является укрупненной оценкой возможности применения суперконденсаторов в составе аппаратуры. Далее требуется проведение более точных расчетов, а также изготовление макетов и проведение испытаний. На нашем предприятии предоставляются как образцы суперконденсаторов, так и изготавливаются макеты накопителей энергии.

У разработчика радиоэлектронной аппаратуры возникает задача обеспечения резервного питания. Для решения данной задачи в качестве элементов питания могут быть выбраны аккумуляторы или суперконденсаторы. В той аппаратуре, где требуется длительный срок службы, большая наработка или широкий температурный диапазон применение суперконденсаторов может быть целесообразным.

Для оценки требуемого накопителя энергии на основе суперконденсаторов необходимы входные данные. Входные данные для расчета и подбора суперконденсаторов включают в себя:

номинальное напряжение, U_ном , В (напряжение, до которого будет заряжен накопитель);
разрядный ток, I_разр., А (ток, которым будет разряжаться накопитель для обеспечения резервного питания);
мощность разрядки, Вт (вместо разрядного тока можно использовать мощность, которую должен обеспечить накопитель энергии на основе суперконденсаторов);
время разрядки, t_разр, с (время, в течение которого требуется обеспечить резервное питание);
остаточное напряжение на накопителе, U_ост. , В (напряжение на накопителе после его работы).

На основе данной информации можно рассчитать требуемый накопитель энергии.
Для примера расчета возьмем следующие данные:

Шаг 1. Определение количества последовательно соединенных конденсаторов

Рассчитываем емкость накопителя энергии, исходя из требований к его работе (разрядный ток и время разрядки), а также величины допускаемого падения напряжения при работе накопителя:

U_ном

U_конд.

(1)

2,5

8 шт.

Пример

U_конд.— напряжение на конденсаторе. При номинальном напряжении суперконденсаторов 2,7В для расчета возьмем напряжение 2,5В. Запас 0,2В необходим для обеспечения гарантированной работы суперконденсаторов в течение всего срока службы.

Шаг 2. Определение емкости накопителя энергии

C_{накопит}

I_разр. · t_разр.

U_ном. - U_ост.

(2)

C_{накопит}

3 · 15

20 - 16

11,25 Ф

Пример

Если в требованиях указана мощность разрядки накопителя, то для расчета емкости сначала определяется средний разрядный ток:

I_{ср.разр.}

(

P_разр.

U_ном.

P_разр.

U_ост.

) / 2

(3)

Шаг 3. Определение расчетной емкости конденсатора

На этом шаге определяем расчетную емкость суперконденсаторов, из которых будет состоять накопитель энергии:

C_{конд. расчет.}

С_{накопит} · K

(4)

C_{конд. расчет.}

11,25 ∙ 8 = 90 Ф

Пример

Шаг 4. Подбираем типономинал суперконденсатора

На основе полученных данных о емкости конденсатора подбираем конкретный типономинал.
В нашем примере расчетная емкость конденсаторов для накопителя составила 90 фарад.
Выпускаемая серия К58-26 включает типономиналы 1; 3; 5; 10; 15; 25; 50; 100 фарад. Берем ближайший типономинал к 90 фарадам с «округлением» в большую сторону – это 100 фарад.
Выбранный конденсатор К58-26 2,7Вх100Ф. Основные параметры данного конденсатора:

номинальное напряжение, В – 2,7;
номинальная емкость, С_конд. , Ф – 100;
эквивалентное последовательное сопротивление, ЭПС_конд. , мОм – 15;
габаритные размеры, мм – 20х40;
масса, г – 17,6.

Шаг 5. Расчет характеристик накопителя энергии

На основе параметров выбранного суперконденсатора рассчитываем параметры полученного накопителя энергии.

1) Общие параметры накопителя.

Номинальное напряжение. Это входной параметр.

Номинальная емкость:

C_{накопит.}

С_конд. / K

(5)

C_{накопит.}

100

= 12,5 Ф

Пример

Эквивалентное последовательное сопротивление накопителя:

ЭПС_{накопит.}

ЭПС_конд. · K

(6)

ЭПС_{накопит.}

0,015 · 8 = 0,12 Ом

Пример

2) Компоновка и массогабаритные характеристики

Количество последовательно соединенных конденсаторов = K_посл. = 8;
Количество параллельных цепочек = K_парал. = 1;
Общее количество конденсаторов в модуле = K_посл. · K_парал.= 8;
Типономинал конденсаторов в модуле: К58-26 2,7Вх100Ф;
Общий объем конденсаторов в составе накопителя V_обш.= d² · h · K_общ. = 20² · 40 · 8 = 128 см³;
Общая масса конденсаторов в составе накопителя m_обш.= m_конд · K_общ. = 17,6 · 8 = 140 г;

3) Функциональные характеристики накопителя

ΔU_ЭПС

= ЭПС_{накопит} · I_разр. = 0,12 · 3 = 0,36 Ф

ΔU_разр.

I_разр. · t_разр.

C_{накопит.}

3 · 15

12,5

= 3,6 Ф

ΔU_общ. = ΔU_ЭПС + ΔU_разр. = 3,96 В

U_{ост. расчет.} = U_ном - ΔU_общ. = 16,04 В

Шаг 6. Оценка расчетных характеристик

Расчет показал, что накопитель, состоящий из 8 штук конденсаторов 2,7Вх100Ф, удовлетворяет исходным требованиям. Расчетное остаточное напряжение составило 16,04В, согласно исходным требованиям, остаточное напряжение должно составлять 16В. В целом на начальном этапе полученный накопитель будет удовлетворять требованиям, однако для работы в течение всего срока службы накопитель должен иметь определенный запас по накапливаемой энергии.

В случае, когда остаточное напряжение ниже требуемого значения, необходимо взять следующий типономинал конденсатора. В нашем примере поскольку остаточное напряжение находится на границе требуемого значения 16,04В и 16В соответственно, необходимо взять следующий типономинал конденсаторов — 200 фарад.

Полезные ссылки:

1) Для расчета накопителя вы можете воспользоваться специальным калькулятором.
После расчета просим направить полученные данные в наш адрес. Мы сможем предоставить вам опытные образцы и сделать коммерческое предложение на поставку.

2) Также вы можете направить ваши требования к накопителю заполнив форму на сайте.

При возникновении вопросов по данной статье, в целом по тематике суперконденсаторов и модулей на их основе просим вас обращаться по следующим контактным данным: