Конденсатор вместо аккумулятора: техническое решение. Суперконденсаторы для запуска двигателей Конденсатор в помощь аккумулятору авто

Суперконденсатор (или по-другому ионистор) представляет собой устройство для накопления электрической энергии, занимающее среднее положение между аккумуляторной батареей и электролитом. Правда, в отличие от них, эти изделия имеют несравнимо меньшие размеры и выглядят как обычные электролитические конденсаторы (смотрите рисунок ниже).

По своим характеристикам суперконденсатор (СК) существенно отличается от рядовых электролитических изделий, поскольку он более долговечен и имеет меньшую токовую утечку. Основная цель разработки этих изделий – создание накопителей энергии нового поколения, способных заменить привычные аккумуляторные батареи.

Характерные отличия

Помимо уже перечисленных выше достоинств, суперконденсатор характеризуется более высоким, чем у батарей, показателем удельной ёмкости, что позволяет использовать его в качестве источника питания в электромобилях, например. Благодаря уникальным энергетическим свойствам, время зарядки этого электролитического элемента заметно сокращается (то же самое можно сказать и о периоде его разрядки).

Дополнительная информация. Перечисленные свойства позволяют использовать конденсаторы большой ёмкости в современных источниках возобновляемой энергии (солнечных батареях, ветровых генераторах и т. п.).

При его эксплуатации удаётся добиться более экономичного режима работы за счёт возможности аккумулирования избытков полученной от источников энергии.

Внешне суперконденсатор выглядит как обычный элемент с двумя электродами, используемый вместо аккумулятора.

Подобно АКБ, в своих внутренних полостях он также содержит электролит, который при взаимодействии с пластинами вырабатывает электроэнергию.

Особенности конструкции и производители

Электроды этого изделия изготавливаются из специального пористого материала, покрытого сверху тонким слоем активированного угля. В качестве электролитического состава используются смеси неорганического или органического происхождения. Основные его отличия от привычного конденсатора состоят в следующем:

• Между обкладками в этом изделии размещается не обычный слой диэлектрика, а вдвое толще, что позволяет получить очень тонкий зазор. Такая конструкция обеспечивает возможность накапливать электроэнергию в больших объёмах (электрическая ёмкость в этом случае значительно возрастает);
• Далее суперконденсатор, в отличие от других образцов, аккумулирует и расходует заряд достаточно быстро;
• Благодаря использованию двойного слоя диэлектрика повышается общая площадь электродов, а габариты при этом остаются прежними. Технические характеристики изделия при этом заметно улучшаются.

К особенностям этих конденсаторов, появившихся в 1962 году, также следует отнести энергетическую структуру их электродов, один из которых имеет электронную проводимость, а другой – так называемую «ионную». В результате этого в процессе их зарядки осуществляется разделение противоположных по знаку зарядов, приводящее к накапливанию на обкладках положительного и отрицательного потенциала (смотрите фото).

В 1971 году лицензию на производство этих уникальных изделий получила известная японская корпорация NEC, успешно освоившая к этому времени практически все электротехнические направления. Именно ей удалось продвинуть и окончательно утвердить на рынке электронных изделий уникальную технологию производства суперконденсаторов. С 2000-х годов она успешно освоена практически во всех экономически развитых странах мира.

Виды суперэлектролитов

Все известные образцы электролитических изделий этого класса подразделяются на следующие виды:

• Двухслойные конденсаторные структуры (ДСК);
• Гибридные электролитические элементы;
• Псевдоконденсаторы.

Рассмотрим каждый из них чуть подробнее.

Двухслойные структуры имеют в своём составе два пористых электрода с проводящим углеродным покрытием, разделенных особым составом (электролитным сепаратором). Процесс аккумулирования энергии в этих образованиях осуществляется за счет разделения противоположных по знаку зарядов, сопровождающегося образованием на электродах значительных по амплитуде потенциалов.

На величину электрического заряда таких структур существенное влияние оказывает емкость двойного накопительного слоя, выполняющего функцию своеобразного поверхностного конденсатора. Между собой эти две накопительные системы соединяются в последовательную цепочку посредством объединяющего их электролита.

Дополнительная информация. В данном случае он играет роль проводника с ионным типом проводимости.

Гибридные электролиты можно отнести к категории переходных структур, занимающих промежуточное положение между аккумулятором и конденсатором. Выбор такого названия для этих изделий обусловлен тем, что электроды в них изготавливаются из материалов разного типа, вследствие чего характер накопления зарядов несколько различен.

Обычно функцию катода в них выполняет материал, обладающий так называемой «псевдо ёмкостью», а процесс аккумулирования заряда происходит вследствие протекания окислительно-восстановительных реакций. Такая «архитектура» электролитов этой группы позволяет увеличить суммарную емкость конденсатора, а также расширить диапазон допустимых напряжений.

В этих изделиях чаще всего применяются сложные сочетания материала электродов, представляющих собой комбинацию из особого типа проводящих полимеров (или смешанных оксидов). Ведутся исследования по другим перспективным материалам (композитам, в частности), получаемым методом осаждения оксидов металлов на углеродные основания или полимеры.

Псевдоконденсаторы по своим техническим показателям гораздо ближе к перезаряжаемым аккумуляторным батареям, имеющим два твёрдотельных электрода. В основе их действия лежит сочетание следующих двух механизмов:

• Процессы заряда и разряда (аналогичные реакциям, происходящим в обычных аккумуляторах);
• Взаимодействия электростатического характера, присущие структурам с двойным электрическим слоем.

Приставка «псевдо» означает, что емкость этих элементов определяется не столько характером электростатических процессов, сколько зависимостью от реакций, связанных с переносом электролитических зарядов.

Области применения

Наиболее часто изделия этого класса применяются в следующих механизмах, агрегатах и образцах оборудования:

• В системах с источниками возобновляемой энергии, нуждающихся в аккумулировании накапливаемых потенциалов (солнечные батареи, ветряные генераторы и т. п.);
• В современных транспортных средствах (электрокарах, например), а также в устройствах запуска двигателей автомобилей на водородном топливе;
• За счёт высокой энергетической плотности и повышенной удельной емкости эти изделия широко применяются в электронной аппаратуре (в качестве источников кратковременного и мощного импульса);
• Также они востребованы в системах бесперебойного питания, в которых в полной мере используется их основное преимущество – обеспечивать мгновенную передачу мощности.

Обратите внимание! Сюда же следует отнести развивающиеся отрасли, предполагающие использование систем непрерывного питания на экономичном топливе.

Кроме того, суперконденсаторы могут применяться в следующих устройствах:

• В системах демпфирования энергетических нагрузок, а также в устройствах запуска электродвигателей;
• В комплексах, функционирование которых связано с критическими нагрузками (оборудование портов, больничных учреждений, вышек мобильной связи, банковских центров и т. п.);
• В источниках резервного электроснабжения оборудования ПК и систем сбора данных (микропроцессоров и ЗУ), а также в мобильных телефонах.

Достоинства и недостатки конденсаторных изделий

К числу достоинств изделий рассматриваемого класса следует отнести:

• Низкую удельную стоимость (из расчета на единицу ёмкости);
• Высокие показатели ёмкостной плотности и КПД циклов заряда-разряда (до 95% и выше);
• Надёжность, долговечность и экологическая чистота;
• Прекрасные показатели удельной мощности;
• Достаточно широкий диапазон температур, при которых возможна их эксплуатация;
• Наибольшая из всех возможных для изделий данной категории скорость заряда и разряда;
• Допустимость полной потери ёмкости (практически до нуля).

Ещё одно немаловажное преимущество СК – их сравнительно малые размеры и вес (по отношению к другим типам электролитических изделий).

Среди присущих им «минусов» хотелось бы отметить следующие недостатки:

• Относительно малая плотность накапливаемых энергий;
• Низкий показатель вольтажа, приходящегося на единицу ёмкости элемента;
• Высокий уровень неконтролируемого саморазряда.

Добавим к этому не до конца проработанную технологию производства изделий.

Перспективы применения

В ближайшем будущем предполагается практически повсеместное использование суперконденсаторов, которые будут внедряться в большинство энергоёмких производств (включая медицинскую отрасль, аэрокосмическую промышленность и военную технику).

Одновременно с их внедрением всё более повышается удельная емкость этих изделий, что в перспективе позволит полностью заменить батареи конденсаторами. Также намечается процесс интегрирования суперконденсаторов в различные структуры современного электронного производства, включая изготовление управляющих и регулирующих элементов.

В заключение отметим, что конденсаторные изделия этого класса позволяют внедрить в жизнь экологически чистые способы экономии энергии, намного более перспективные, чем все известные до сих пор. В ближайшее время предполагается дальнейшее расширение сфер применения этих технологий, которые могут захватить всю автотранспортную отрасль, а также устройства связи и мобильную технику.

Видео

Большинство современных конденсаторов имеют емкость в микрофарадах или пикофарадах. Емкость Ионисторов исчисляется Фарадами.
Что бы понять насколько это много, можно вспомнить формулу по которой можно рассчитать необходимую емкость в зависимости от нагрузки.

Где
С - емкость, Ф;
I - постоянный ток разрядки, А;
U - номинальное напряжение ионистора, В;
t - время разрядки от Uном до нуля, с;

Сейчас на рынке уже есть ионисторы емкостью в десятки Фарад.
К примеру есть ионистор на 5,5 Вольта емкостью 22 Фарада. Мы зарядим его полностью и подключим лампочку на 1 Ватт (5,5 Вольт 0,18 Ампера).

Итого:
22 Фарада = 0,18 Ампера t / 5,5 Вольта
t = 672 секунды

Исходя из формулы выше наша лампочка будет гореть 672 секунды или 12 минут. Кажется что это не такая большая величина, но на самом деле мы можем использовать несколько ионисторов сразу.
Для примера существуют суперконденсаторы намного большей емкости.

К примеру на новом российском авто Ё-мобиль используются конденсаторы фирмы http://www.elton-cap.com/ .
Ионисторы этой фирмы достигают емкости в 10 000 Фарад при напряжении 1,5 Вольта. Так же они производят ячейки (модули) с несколькими ионисторами емкостью в 1000 Фарад и рабочим напряжением 15 Вольт.

К сожалению у Суперконденсаторов есть достоинства и недостатки.

Суперконденсаторы достаточно дорогие поэтому не составляют конкуренции батареям (аккумуляторам), так как конденсаторы емкостью равной емкости одного аккумулятора обойдутся вам в тысячи долларов.
Темнеменее использование суперконденсаторов в электронике более чем оправдано.
- к сожалению на контантах суперконденсаторов во время всего цикла разрядки падает напряжение, поэтому для устройств которые требуют постоянного напряжение это не применимо. Возможен вариант использования стабилизатора, но при этом устройство будет потреблять больше энергии.
- к сожалению суперконденсатор нельзя полноценно использовать вместе с аккумулятором. Если их подключить параллельно из-за внутреннего сопротивления, аккумуляторная батарея всегда будет отдавать больше тока чем конденсатор.
При этом если потребитель использует импульсный источник питания, в те моменты когда батарея и конденсатор будут отключены - батарея будет заряжать конденсатор, при этом с большими токами и щадящего режима для батареи просто не получится.
Единственный выход использовать Ионисторы как дополнительный источник питания, тоесть заряжать их во время когда сеть не нагружена и полностью отдавать их энергию в нужные моменты, после чего подключать батарею, когда энергия уже исчерпана.
Это значительно усложняет систему а значит и цену таких устройств.
Однако все так же еффективно эти конденсаторы можно использовать в системах рекуперации энергии.

Очень большое колличество циклов заряда и разряда
+ большие токи отдачи
+ Суперконденсаторы достаточно быстро заряжаются (практически моментально зависит от того какой ток может обеспечить зарядное устройство)
+ Суперконденсаторы намного меньше обычных конденсаторов и в тоже время имеют намного большую емкость.
+ широкий рабочий диаппазон температур (от -50 до + 50 градусов цельсия)

Возможно за суперконденсаторами будущее, но к сожалению на данный момент они вряд ли смогут полностью заменить аккумуляторы.

Хотя на некоторых автомобилях уже сейчас заменяются пусковые батареи на суперконденсаторы, которые куда более эффективно выполняют свои функции. В часности они отдают моментально очень большие токи которые необходимы для удачного пуска двигателя особенно в холодную погоду.

Для накопления электроэнергии люди сначала использовали конденсаторы. Потом, когда электротехника вышла за пределы лабораторных опытов, изобрели аккумуляторы, ставшие основным средством для запасания электрической энергии. Но в начале XXI века снова предлагается использовать конденсаторы для питания электрооборудования. Насколько это возможно и уйдут ли аккумуляторы окончательно в прошлое?

Причина, по которой конденсаторы были вытеснены аккумуляторами, была связана со значительно большими значениями электроэнергии, которые они способны накапливать. Другой причиной является то, что при разряде напряжение на выходе аккумулятора меняется очень слабо, так что стабилизатор напряжения или не требуется или же может иметь очень простую конструкцию.

Главное различие между конденсаторами и аккумуляторами заключается в том, что конденсаторы непосредственно хранят электрический заряд, а аккумуляторы превращают электрическую энергию в химическую, запасают ее, а потом обратно преобразуют химическую энерию в электрическую.

При преобразованиях энергии часть ее теряется. Поэтому даже у лучших аккумуляторов КПД составляет не более 90%, в то время, как у конденсаторов он может достигать 99%. Интенсивность химических реакций зависит от температуры, поэтому на морозе аккумуляторы работают заметно хуже, чем при комнатной температуре. Кроме этого, химические реакции в аккумуляторах не полностью обратимы. Отсюда малое количество циклов заряда-разряда (порядка единиц тысяч, чаще всего ресурс аккумулятора составляет около 1000 циклов заряда-разряда), а также «эффект памяти». Напомним, что «эффект памяти» заключается в том, что аккумулятор нужно всегда разряжать до определенной величины накопленной энергии, тогда его емкость будет максимальной. Если же после разрядки в нем остается больше энергии, то емкость аккумулятора будет постепенно уменьшаться. «Эффект памяти» свойственен практически всем серийно выпускаемым типам аккумуляторов, кроме, кислотных (включая их разновидности - гелевые и AGM). Хотя принято считать, что литий-ионным и литий-полимерным аккумуляторам он не свойственнен, на самом деле и у них он есть, просто проявляется в меньшей степени, чем в других типах. Что же касается кислотных аккумуляторов, то в них проявляется эффект сульфатации пластин, вызывающий необратимую порчу источника питания. Одной из причин является длительное нахождение аккумулятора в состоянии заряда менее, чем на 50%.

Применительно к альтернативной энергетике «эффект памяти» и сульфатация пластин являются серьезными проблемами. Дело в том, что поступление энергии от таких источников, как солнечные батареи и ветряки, сложно спрогнозировать. В результате заряд и разряд аккумуляторов происходят хаотично, в неоптимальном режиме.

Для современного ритма жизни оказывается абсолютно неприемлемо, что аккумуляторы приходится заряжать несколько часов. Например, как вы себе представляете поездку на электромобиле на дальние расстояния, если разрядившийся аккумулятор задержит вас на несколько часов в пункте зарядки? Скорость зарядки аккумулятора ограничена скоростью протекающих в нем химических процессов. Можно сократить время зарядки до 1 часа, но никак не до нескольких минут. В то же время, скорость зарядки конденсатора ограничена только максимальным током, который дает зарядное устройство.

Перечисленные недостатки аккумуляторов сделали актуальным использование вместо них конденсаторов.

Использование двойного электрического слоя

На протяжении многих десятилетий самой большой емкостью обладали электролитические конденсаторы. В них одной из обкладок являлась металлическая фольга, другой - электролит, а изоляцией между обкладками - окись металла, которой покрыта фольга. У электролитических конденсаторов емкость может достигать сотых долей фарады, что недостаточно для того, чтобы полноценно заменить аккумулятор.

Большую емкость, измеряемую тысячами фарад, позволяют получить конденсаторы, основанные на так называемом двойном электрическом слое. Принцип их работы следующий. Двойной электрический слой возникает при определенных условиях на границе веществ в твердой и жидкой фазах. Образуются два слоя ионов с зарядами противоположного знака, но одинаковой величины. Если очень упростить ситуацию, то образуется конденсатор, «обкладками» которого являются указанные слои ионов, расстояние между которыми равно нескольким атомам.

Конденсаторы, основанные на данном эффекте, иногда называют ионисторами. На самом деле, этот термин не только к конденсаторам, в которых накапливается электрический заряд, но и к другим устройствам для накопления электроэнергии - с частичным преобразованием электрической энергии в химическую наряду с сохранением электрического заряда (гибридный ионистор), а также для аккумуляторов, основанных на двойном электрическом слое (так называемые псевдоконденсаторы). Поэтому более подходящим является термин «суперконденсаторы». Иногда вместо него используется тождественный ему термин «ультраконденсатор».

Техническая реализация

Суперконденсатор представляет собой две обкладки из активированного угля, залитые электролитом. Между ними расположена мембрана, которая пропускает электролит, но препятствует физическому перемещению частиц активированного угля между обкладками.

Следует отметить, что суперконденсаторы сами по себе не имеют полярности. Этим они принципиально отличаются от электролитических конденсаторов, для которых, как правило, свойственна полярность, несоблюдение которой приводит к выходу конденсатора из строя. Тем не менее, на суперконденсаторах также наносится полярности. Связано это с тем, что суперконденсаторы сходят с заводского конвейера уже заряженными, маркировка и означает полярность этого заряда.

Параметры суперконденсаторов

Максимальная емкость отдельного суперконденсатора, достигнутая на момент написания статьи, составляет 12000 Ф. У массово выпускаемых супероконденсаторов она не превышает 3000 Ф. Максимально допустимое напряжение между обкладками не превышает 10 В. Для серийно выпускаемых суперконденсаторов этот показатель, как правило, лежит в пределах 2,3 – 2,7 В. Низкое рабочее напряжение требует использование преобразователя напряжения с функцией стабилизатора. Дело в том, что при разряде напряжение на обкладках конденсатора изменяется в широких пределах. Построение преобразователя напряжения для подключения нагрузки и зарядного устройства являются нетривиальной задачей. Предположим, что вам нужно питать нагрузку с мощностью 60 Вт.

Для упрощения рассмотрения вопроса пренебрежем потерями в преобразователе напряжения и стабилизаторе. В том случае, если вы работаете с обычным аккумулятором с напряжением 12 В, то управляющая электроника должна выдерживать ток в 5 А. Такие электронные приборы широко распространены и стоят недорого. Но совсем другая ситуация складывается при использовании суперконденсатора, напряжение на котором составляет 2,5 В. Тогда ток, протекающий через электронные компоненты преобразователя, может достигать 24 А, что требует новых подходов к схмотехнике и современной элементной базы. Именно сложностью с построением преобразователя и стабилизатора можно объяснить тот факт, что суперконденсаторы, серийный выпуск которых был начат еще в 70-х годах XX века, только сейчас стали широко использоваться в самых разных областях.

Суперконденсаторы могут соединяться в батареи с использованием последовательного или параллельного соединения. В первом случае повышается максимально допустимое напряжение. Во втором случае - емкость. Повышение максимально допустимого напряжения таким способом является одним из способов решения проблемы, но заплатить за нее придется снижением емкости.

Размеры суперконденсаторов, естественно, зависят от их емкости. Типичный суперконденсатор емкостью 3000 Ф представляет собой цилиндр диаметром около 5 см и длиной 14 см. При емкости 10 Ф суперконденсатор имеет размеры, сопоставимые с человеческим ногтем.

Хорошие суперконденсаторы способны выдержать сотни тысяч циклов заряда-разряда, превосходя по этому параметру аккумуляторы примерно в 100 раз. Но, как и у электролитических конденсаторов, для суперконденсаторов стоит проблема старения из-за постепенной утечки электролита. Пока сколь-нибудь полной статистики выхода из строя суперконденсаторов по данной причине не накоплено, но по косвенным данным, срок службы суперконденсаторов можно приблизительно оценить величиной 15 лет.

Накапливаемая энергия

Количество энергии, запасенной в конденсаторе, выраженное в джоулях:

где C - емкость, выраженная в фарадах, U - напряжение на обкладках, выраженное в вольтах.

Количество энергии, запасенной в конденсаторе, выраженное в кВтч, равно:

Отсюда, конденсатор емкостью 3000 Ф с напряжением между обкладками 2,5 В способен запасти в себе только 0,0026 кВтч. Как это можно соотнести, например, с литий-ионным аккумулятором? Если принять его выходное напряжение не зависящим от степени разряда и равным 3,6 В, то количество энергии 0,0026 кВтч будет запасено в литий-ионном аккумуляторе емкостью 0,72 Ач. Увы, весьма скромный результат.

Применение суперконденсаторов

Системы аварийного освещения являются тем местом, где использование суперконденсаторов вместо аккумуляторов дает ощутимый выигрыш. В самом деле, именно для этого применения характерна неравномерность разрядки. Кроме этого, желательно, чтобы зарядка аварийного светильника происходила быстро, и чтобы используемый в нем резервный источник питания имел большую надежность. Источник резервного питания на основе суперконденсатора можно встроить непосредственно в светодиодную лампу T8. Такие лампы уже выпускаются рядом китайских фирм.

Как уже отмечалось, развитие суперконденсаторов во многом связано с интересом к альтернативным источникам энергии. Но практическое применение пока ограничено светодиодными светильниками, получающими энергию от солнца.

Активно развивается такое направление как использование суперконденсаторов для запуска электрооборудования.

Суперконденсаторы способны дать большое количество энергии в короткий интервал времени. Запитывая электрооборудование в момент пуска от суперконденсатора, можно уменьшить пиковые нагрузки на электросеть и в конечном счете уменьшить запас на пусковые токи, добившись огромной экономии средств.

Соединив несколько суперконденсаторов в батарею, мы можем достичь емкости, сопоставимой с аккумуляторами, используемыми в электромобилях. Но весить эта батарея будет в несколько раз больше аккумулятора, что для транспортных средств неприемлемо. Решить проблему можно, используя суперконденсаторы на основе графена, но они пока существуют только в качестве опытных образцов. Тем не менее, перспективный вариант знаменитого «Ё-мобиля», работающий только от электричества, в качестве источника питания будет использовать суперконденсаторы нового поколения, разработка которых ведется российскими учеными.

Суперконденсаторы также дадут выигрыш при замене аккумуляторов в обычных машинах, работающих на бензине или дизельном топливе - их использование в таких транспортных средствах уже является реальностью.

Пока же самым удачным из реализованных проектов внедрения суперконденсаторов можно считать новые троллейбусы российского производства, вышедшие недавно на улицы Москвы. При прекращении подачи напряжения в контактную сеть или же при «слетании» токосъемников троллейбус может проехать на небольшой (порядка 15 км/ч) скорости несколько сотен метров в место, где он не будет мешать движению на дороге. Источником энергии при таких маневрах для него является батарея суперконденсаторов.

В общем, пока суперконденсаторы могут вытеснить аккумуляторы только в отдельных «нишах». Но технологии бурно развиваются, что позволяет ожидать, что уже в ближайшем будущем область применения суперконденсаторов значительно расширится.

Алексей Васильев

Суперконденсатор предназначен для установки в автомобили и спецтехнику различных типов, это современный источник для накопления и выдачи импульсной энергии в нужный момент. Эта энергия может использоваться как для запуска двигателя при севшем или замерзшем аккумуляторе, так и для стабилизации напряжения бортовой сети автомобиля.

Модули Titan позволяют:

выдавать необходимое напряжение и силу тока для запуска двигателя при низких температурах (до -40°С); осуществлять запуск ДВС при разряженном аккумуляторе, который не способен обеспечить пусковой ток, но обладает достаточной энергией для заряда суперконденсаторного модуля; завести двигатель на замерзшей или разряженной АКБ предпусковым подогревателем (Webasto и проч.); выдавать нужное количество импульсной энергии для стабильной работы бортовой сети при больших нагрузках; повысить надежность работы, снизить риск выхода из строя элементов электрической сети транспортного средства из-за перегрузки; увеличить срок службы АКБ в 2-4 раза.

Стабилизация напряжения бортовой сети при больших нагрузках

Модуль подключается параллельно штатной АКБ. Такой тип подключения требует хорошего состояния штатной аккумуляторной батареи. Применяется для стабилизации напряжения бортовой сети.

Суперконденсатор поможет при функционировании устройств, которые в короткий промежуток времени потребляют большое количество энергии. Такие нагрузки возникают, например, при работе серьезных аудиосистем или лебедки на внедорожном автомобиле. Такие ударные нагрузки наносят ущерб АКБ. За счет более низкого внутреннего сопротивления и способности принимать на себя импульсную нагрузку, суперконденсатор обеспечивает комфортный режим эксплуатации для аккумулятора и продлит срок его службы.

Titan поможет запустить двигатель на морозе. Температуры ниже -10°С отрицательно влияют на емкость аккумулятора, что может привести к проблемам при запуске ДВС. Емкость суперконденсатора в морозы практически не меняется, это позволит ему всегда отдать максимальную энергию в цепь для прокрутки стартера.

Параллельный тип подключения, с буферным модулем

Запуск двигателя с разряженным аккумулятором

Модуль подключается последовательно к штатной АКБ и непосредственно к клеммам стартера. Данный вариант обеспечивает наличие постоянного напряжения на клеммах стартера, которое необходимо для уверенного запуска ДВС. Использование модулей Titan для последовательного подключения будет актуально для автомобилей с большим количеством дополнительного оборудования, потребляющего электроэнергию. Например, в автомобилях такси, полиции, скорой помощи и др., где постоянно работает световое оборудование, рация, GPS-навигация. Работа оборудования постоянно высаживает заряд аккумулятора, а генератор, при постоянной работе ДВС на холостых оборотах, не дает достаточного заряда. Применение суперконденсаторов с низким внутренним сопротивлением, высокой удельной мощность и надежной отдачей энергии при низких температурах, позволяет осуществить запуск при невысоком заряде АКБ (от 9-ти Вольт) и даже в условиях низких температур.

Суперконденсатор будет также полезен для владельцев автомобилей с установленной системой предпускового подогрева, которая обеспечивает подготовку ДВС к старту в холодную погоду. Все предпусковые подогреватели питаются от аккумулятора и разряжают его в процессе подогрева, таким образом уже на прогретом двигателе существует возможность получить проблемы с запуском.

Особенности работы модуля Titan с предпусковыми подогревателями:

Гарантированный пуск прогретого ДВС, при разряженной подогревателем АКБ;
Снижение нагрузки на замерзшую АКБ.
Прокрутка стартера может быть не произведена только по причине сильного износа и/или очень низкого заряда аккумулятора, который не в состоянии обеспечить током втягивающее реле.

Последовательный тип подключения, с преобразователем DC-DC

Уверенный запуск двигателя и стабилизация напряжения бортовой сети

В данном случае, модуль с повышающим DC-DC, подключенный непосредственно к стартеру, обеспечивает надежную прокрутку и запуск ДВС, а буферный модуль, подключенный параллельно к АКБ, – питание втягивающего реле. Такой суперконденсатор сочетает в себе все преимущества модулей с буферным и последовательным типами подключений. Таким образом, даже при изношенных АКБ обеспечивается самый высокий уровень стабилизации всех параметров электрической бортовой сети и уверенный запуск двигателя при самых низких температурах.

Установка модуля Titan с гибридным типом подключения позволит:

осуществить запуск при разряженных аккумуляторных батареях, которые не способны обеспечить пусковой ток, но обладают достаточной энергией для заряда
суперконденсаторов;
осуществить запуск в условиях низких температур;
увеличить срок службы аккумуляторных батарей в 2-4 раза;
при работе совместно с предпусковым подогревателем, гарантировать пуск прогретого ДВС, при разряженной подогревателем или замерзшей АКБ;
обеспечить импульсной энергией дополнительные устройства и системы, повысить надежность работы электрической сети автомобиля в целом.

Гибридный тип подключения, с буферным модулем и DC-DC преобразователем

Основные преимущества суперконденсаторов

Высокая удельная мощность Идеальное устройство для работы при резких и значительных изменениях мощности (в несколько раз).
Высокие стабилизационные свойства. Быстрый заряд/разряд (секунды).
Эффективность при рекуперации энергии и пусках двигателей.
Широкий диапазон рабочих температур от -45 до 70°C.
Возможность работы в экстремальных условиях.
Срок службы не менее 10 лет, до 1 млн. циклов заряда-разряда.
Отсутствие необходимости замены в течение долгого времени.
Снижение эксплуатационных затрат систем.
Герметичность и экологичность.
Низкая стоимость владения, отсутствие затрат на эксплуатацию и утилизацию.
Небольшая масса и малые габариты.
Широкий спектр применений, автономность, мобильность.
Совместная работа с предпусковыми подогревателями.
Устройства сертифицированы по ГОСТ.

Руководство по установке модулей МСКА в автомобиль

Ниже описана методика крепления и подключения модулей МСКА в автомобиле. Рассмотрен вариант крепления модуля с помощью безразмерных металлических хомутов сбоку или сверху аккумуляторной батареи автомобиля. Приведены рекомендации и фотографии установленных таким образом модулей. Данная методика может быть также применена для крепления модулей к несущим частям кузова автомобиля, таким как балки, кронштейны крепления навесного оборудования и т.п.

Подготовка к установке.
Для крепления модуля к аккумуляторной батарее понадобятся:

• 2 металлических хомута длиной по 1 метр;
• 2 замка к хомутам;
• Термоусадочная трубка такого диаметра, чтобы ее можно было с небольшим зазором надеть на хомут - 2 метра;
• Провод сечением не менее 16 мм2 для подключения модуля к аккумулятору. Длина определяется в зависимости от места установки и удобства безопасной прокладки провода;
• Наконечники для провода соответствующего диаметра;
• Прокладка из листовой резины или силикона толщиной 3-5 мм и размером чуть больше, чем модуль.

Инструменты:

• Отвертка шлицевая и крестовая №2;
• Пассатижи или плоскогубцы;
• Бокорезы;
• Пресс для обжимки наконечников (вместо пресса можно использовать тиски или молоток с наковальней);
• Фен строительный для усадки трубки;
• Лампочка автомобильная 12В 55Вт с проводами (лучше всего подойдет противотуманная фара, к которой подключены провода с зажимами типа «крокодил»).

Выбор способа крепления.
Модуль необходимо закрепить в автомобиле таким образом, чтобы исключить случайное повреждение устройств автомобиля, электропроводки и т.п. Также следует исключить возможность случайного короткого замыкания как клемм модуля, так и клемм аккумулятора.
В зависимости от этого решаем, как закрепить модуль к аккумулятору (сверху или сбоку). Закроется ли капот и крышка аккумуляторного отсека, не будет ли корпус модуля касаться токоведущих проводов, не приведет ли к короткому замыканию незначительное перемещение модуля во время движения.

Крепление модуля к аккумулятору.
Для удобства рекомендуем вынуть аккумулятор из отсека и крепить к нему модуль в теплом помещении на столе или верстаке. Если это сделать тяжело, то будем крепить модуль не снимая аккумулятора с автомобиля.
Для начала подготовим хомуты.

Обрежем их на необходимую длину, так, чтобы можно было охватить аккумулятор вместе с модулем. Закрепим замки на хомутах и наденем на хомуты термоусадочную трубку таким образом, чтобы она находилась в месте контакта хомута и модуля, а также изолировала хомуты от близко расположенных проводов и клемм аккумулятора.
Закрепим термоусадочную трубку на хомутах при помощи фена. Установим модуль с нужной стороны аккумулятора, обхватим их хомутами и затянем замки хомутов.
Расположение замков может быть произвольным, но выбирается таким образом, чтобы они не касались других деталей автомобиля и его проводки.
Для удобства, а в некоторых случаях для защиты клемм аккумулятора от замыкания между модулем и аккумулятором необходимо проложить прокладку из листовой резины, которая будет не только служить амортизатором, но и защитит клеммы аккумулятора и провода, идущие к ним.

Установка аккумулятора с модулем в автомобиль.
Берем аккумулятор с закрепленным на нем модулем и ставим на штатное место аккумулятора. Проверяем, что крышка аккумуляторного отсека (если она имеется) свободно ставится на место, а установленный модуль ничему не мешает и жестко закреплен на аккумуляторе.
Жестко закрепляем аккумулятор штатными креплениями и подключаем клеммы к аккумулятору.

Подключение модуля к бортовой сети.

Отмеряем необходимую длину провода для соединения клеммы «-» модуля с клеммой «-» аккумулятора. Провод должен быть минимальной длины, но при этом не должен лежать на острых краях металлических деталей кузова, не должен перетираться о другие детали при движении автомобиля. Делаем аналогичный провод и для соединения клеммы «+» модуля с клеммой «+» аккумулятора.
На концы проводов, идущие к модулю, запрессовываем при помощи пресса наконечники. Если пресса нет, то можно либо обжать наконечник на провод в тисках, либо расплющить его молотком на наковальне.
Главное, чтобы контакт провода с наконечником был надежным, а провод не болтался в наконечнике. После этого наденем по кусочку термоусадочной трубки на места запрессовки и усадим их с помощью фена, чтобы они случайно не замкнули на корпус модуля.
На концы проводов, которые будут подключаться к аккумулятору, в зависимости от типа клемм, могут закрепляться и наконечники, аналогичные тем, которые подключаются к модулю, и трубчатые наконечники. Может быть так, что клеммы аккумулятора позволяют подключать провода без наконечников. Здесь необходимо руководствоваться конкретной ситуацией.

Теперь подключим провод к клеммам модуля и аккумулятора. Клемму «-» модуля подключаем к клемме «-» аккумулятора. А второй провод пока подключаем только к клемме «+» модуля, а второй конец этого провода пока никуда не подключаем.
Заряжаем модуль. Для этого включаем между проводом, идущим от клеммы «+» модуля и клеммой «+» аккумулятора лампочку. Лампочка должна загореться, что свидетельствует о начале зарядки модуля. Зарядка модуля может длиться от 3 до 20 минут, в зависимости от мощности лампочки и емкости модуля. Как только лампочка полностью погаснет (не будет тускло светиться, а погаснет), ее можно отключать, а провод от клеммы «+» модуля подключаем к клемме «+» аккумулятора.
Соединения проводов от модуля к аккумулятору и к модулю должны быть максимально надежными, поскольку от этого зависит не только эффективность работы модуля в автомобиле, но и безопасность. Плохие соединения могут вызвать коррозию контактов, их разогрев во время работы, и даже привести к пожару.
Клеммы аккумулятора и модуля рекомендуется дополнительно изолировать, надев на них изолирующие колпачки или защитив специальным составом, который полимеризуется на воздухе, образуя защитную пленку. Можно также использовать нейтральный силиконовый герметик. Это также дополнительно защитит клеммы от коррозии во время эксплуатации.

Примеры установки суперконденсаторов

Что такое суперконденсаторы (ионисторы)

Суперконденсатор – новый накопитель энергии и источник тока, по своим техническим характеристикам занимающий промежуточное положение между аккумуляторными батареями и традиционными конденсаторами. Отличительными особенностями суперконденсаторов являются высокая мощность, способность быстро отдавать и накапливать энергию, устойчивость к неблагоприятным факторам внешней среды, долговечность, эксплуатационная надежность и экологичность.

Последнее время суперконденсаторы во всем мире играют всё возрастающую роль, темпы роста рынка суперконденсаторов составляют 30-40% в год. Области применения суперконденсаторов постоянно расширяются, находя все новые и новые области применения во всех без исключения отраслях, от бытовой электроники, мобильных телефонов и компьютеров до гибридного транспорта, систем Smart Grid и космических технологий. Суперконденсаторы уверенно занимают свое место в системах качественной энергии для промышленности и телекоммуникаций, а также в индустрии возобновляемых источников энергии. Применение суперконденсаторов в устройствах и системах уже стало не только технической необходимостью, но и символом инновационности и современности применяемых устройств, технологий и систем.

Конденсаторы с двойным электрическим слоем (ДЭС)

Наиболее привлекательными с коммерческой точки зрения являются конденсаторы с двойным электрическим слоем (ДЭС), или как их называют EDLC (Electric Double-Layer Capacitor), которые имеют необычно высокую плотность энергии по сравнению с обычными конденсаторами. По сравнению с аккумуляторными батареями, суперконденсаторы обладают в десятки раз большей мощностью и гораздо большим сроком службы. Это две основные причины, почему инженеры всё чаще выбирают суперконденсаторы для различных применений. Суперконденсаторы ДЭС - это накопители энергии, которые могут заменить обычные конденсаторы или аккумуляторные батареи во многих приложениях, где требуются большая энергия по сравнению с той, которую способны обеспечить обычные конденсаторы и/или высокая мощность и длительный срок службы, которые не могут обеспечить аккумуляторные батареи.

ДЭС - это два неактивных высокопористых угольных электрода и коллектор тока, погруженные в электролит с определенным потенциалом напряжения.

В ячейке конденсатора ДЭС положительный потенциал электрода притягивает отрицательно заряженные ионы, в то время когда тот же потенциал на отрицательном электроде привлекает положительно заряженные ионы. Сепаратор не позволяет электродам создать короткое замыкание. Большое количество энергии, которую может запасти ДЭС, достигается за счет огромной площади поверхности, которую обеспечивают пористые угольные электроды.

Накопление энергии в ДЭС - процесс физический и обратимый с минимальными потерями, что и обуславливает столь длительный срок службы ДЭС и их огромный циклический ресурс. Поскольку скорость заряда и разряда зависит исключительно от физического перемещения ионов, ДЭС могут накапливать и отдавать энергию намного быстрее, чем аккумуляторные батареи, в которых процесс напрямую зависит от медленных химических реакций. Этим же обусловлена возможность ДЭС выдавать на порядки более высокую мощность, чем аккумуляторные батареи.

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.