Introduzione ai supercondensatori

Con lo sviluppo della società e dell’economia, le persone prestano sempre più attenzione all’energia verde e all’ambiente ecologico. Essendo un nuovo tipo di dispositivo di accumulo dell'energia, i supercondensatori hanno attirato sempre più attenzione grazie ai loro vantaggi insostituibili. Gli ingegneri hanno iniziato a sostituire le batterie tradizionali con supercondensatori in alcuni progetti che richiedono soluzioni ad alta potenza ed efficienza. Difetti nella tecnologia delle batterie Le nuove batterie come quelle agli ioni di litio e NiMH possono fornire una soluzione affidabile per l'accumulo di energia e sono state ampiamente utilizzate in molti campi. Come tutti sappiamo, le batterie chimiche immagazzinano cariche elettriche attraverso reazioni elettrochimiche, con conseguente trasferimento di carica di Faraday. Hanno una vita utile breve e sono fortemente influenzati dalla temperatura. Questa è anche la difficoltà affrontata dai progettisti di batterie al piombo-acido (batterie).

Allo stesso tempo, la corrente elevata può influenzare direttamente la durata di queste batterie, quindi per alcune applicazioni che richiedono lunga durata ed elevata affidabilità, queste batterie basate su reazioni chimiche mostrano vari difetti. Caratteristiche e vantaggi dei supercondensatori Il principio dei supercondensatori non è una nuova tecnologia. La maggior parte dei supercondensatori comuni hanno una struttura elettrica a doppio strato. Rispetto ai condensatori elettrolitici, questo supercondensatore ha una densità di energia e una densità di potenza molto elevate. Rispetto ai condensatori tradizionali e alle batterie secondarie, i supercondensatori hanno una capacità di accumulo di carica maggiore rispetto ai condensatori ordinari e hanno le caratteristiche di velocità di carica e scarica rapida, alta efficienza, nessun inquinamento ambientale, lunga durata di ciclo, ampio intervallo di temperature operative ed elevata sicurezza . . Oltre alla capacità di caricarsi e scaricarsi rapidamente, un'altra caratteristica fondamentale dei supercondensatori è la loro bassa impedenza. Pertanto, quando un supercondensatore è completamente scarico, presenterà una piccola caratteristica di resistenza e, se non vi è alcun limite, attirerà la possibile corrente sorgente.

Pertanto è necessario utilizzare un caricabatterie a corrente costante o a tensione costante. Dieci anni fa i supercondensatori potevano essere venduti solo in quantità molto piccole ogni anno e il prezzo era molto alto, circa 1-2 dollari USA/farad. Ora i supercondensatori vengono forniti al mercato in grandi quantità come prodotti standard e il prezzo è stato notevolmente ridotto, con una media di 0,01. ~$0,02/farad. Negli ultimi anni i supercondensatori hanno iniziato a entrare in molti campi applicativi, come l’elettronica di consumo, l’industria e i trasporti. La struttura dei supercondensatori Sebbene esistano molti produttori di supercondensatori nel mondo, che possono fornire molti tipi di prodotti supercondensatori, la maggior parte dei prodotti si basa su una struttura elettrica a doppio strato simile. La struttura dei supercondensatori è simile a quella dei condensatori elettrolitici. Molto simili, la differenza principale è il materiale dell'elettrodo. Gli elettrodi dei primi supercondensatori erano fatti di carbonio. Il materiale dell'elettrodo di carbonio ha un'ampia superficie e la capacità dipende dalla distanza tra la superficie e gli elettrodi. Può essere molto grande, la maggior parte dei supercondensatori può essere di livello farad e l'intervallo di capacità generale è compreso tra 1 e 5000 F. Utilizzo dei supercondensatori I supercondensatori hanno una vasta gamma di usi. Combinati con sostanze ad alta densità di energia come le celle a combustibile, i supercondensatori possono fornire un rapido rilascio di energia per soddisfare le elevate richieste di energia, consentendo di utilizzare le celle a combustibile solo come fonte di energia. Attualmente, la densità energetica dei supercondensatori può raggiungere i 20 kW/kg, cosa che ha iniziato a conquistare questa parte del mercato tra i condensatori tradizionali e le batterie.

In quelle applicazioni che richiedono elevata affidabilità ma bassi requisiti energetici, i supercondensatori possono essere utilizzati per sostituire le batterie, oppure supercondensatori e batterie possono essere combinati per applicazioni con elevati requisiti energetici, in modo da poter utilizzare dimensioni più piccole. , batterie più economiche. I supercondensatori hanno valori ESR molto bassi, consentendo loro di generare grandi correnti e assorbire rapidamente grandi correnti. Rispetto al principio di carica chimica, il principio di funzionamento dei supercondensatori rende le prestazioni di questo prodotto più stabili e, pertanto, la durata dei supercondensatori è più lunga. I supercondensatori sono una fonte di alimentazione ideale per i dispositivi che richiedono una ricarica rapida, come utensili elettrici e giocattoli. Alcuni prodotti sono adatti per un sistema ibrido batteria/supercondensatore. L'uso dei supercondensatori può evitare l'uso di batterie ingombranti per ottenere più energia. Un esempio sono le fotocamere digitali nell'elettronica di consumo, dove l'uso di supercondensatori consente alle fotocamere digitali di utilizzare batterie alcaline economiche (anziché costose batterie agli ioni di litio). L'intervallo di tensione nominale delle celle del supercondensatore (celle) è compreso tra 2,5 e 2,7 V, quindi molte applicazioni richiedono l'uso di più celle del supercondensatore. Quando si collegano queste celle in serie, il progettista deve considerare l'equilibrio e la carica tra le celle. Qualsiasi supercondensatore si scaricherà attraverso la resistenza parallela interna quando viene energizzato. Questa corrente di scarica è chiamata corrente di dispersione e influisce sull'autoscarica dell'unità supercondensatore.

Analogamente ad alcune tecnologie di batterie secondarie, le tensioni dei supercondensatori devono essere bilanciate quando utilizzati in serie perché c'è corrente di dispersione e la dimensione della resistenza di shunt interna determinerà la distribuzione della tensione attraverso le celle del supercondensatore collegate in serie. Quando la tensione sul supercondensatore si stabilizza, la tensione su ciascuna unità cambierà con la corrente di dispersione, non con il valore della capacità. Maggiore è la corrente di dispersione, minore è la tensione nominale, al contrario, minore è la corrente di dispersione, maggiore è la tensione nominale. Questo perché la corrente di dispersione provoca la scarica della cella del supercondensatore, abbassando la tensione, che a sua volta influenza le tensioni delle altre celle in serie con essa (supponendo che queste celle in serie siano alimentate dalla stessa tensione costante). Per compensare la variazione della corrente di dispersione, un metodo comune consiste nel collegare un resistore in parallelo accanto a ciascuna unità per controllare la corrente di dispersione dell'intera unità. Questo metodo riduce efficacemente la variazione della corrispondente resistenza parallela tra le unità.

Un altro metodo consigliato è il bilanciamento attivo delle celle, in cui ciascuna cella viene attivamente monitorata e bilanciata l'una rispetto all'altra quando si verifica una variazione di tensione. Questo approccio riduce qualsiasi carico aggiuntivo sull’unità, rendendo il lavoro più efficiente. Se la tensione supera la tensione nominale dell'unità, la durata dell'unità verrà ridotta. Per i supercondensatori ad alta affidabilità, come mantenere la tensione entro l'intervallo richiesto è un punto chiave e la tensione di carica deve essere controllata per garantire che non superi la tensione nominale di ciascuna cella.