Superkondenzátory: náhrada akumulátorů?

Se vzrůstající popularitou superkondenzátorů (supercapacitors, electric double-layer capacitor – EDLC) se také množí přání převést zdroj napájení různých aplikací z akumulátorů na EDLC. V mnoha případech ovšem není výměna 1:1 smysluplná, nebo je dokonce nemožná. Přesto lze pomocí superkondenzátorů optimalizovat mnoho aplikací.

Akumulátory a superkondenzátory jsou založeny na zcela rozdílných způsobech ukládání elektrické energie. Pokud se na to podíváme blíže, bude zřejmé, proč je nelze tak snadno zaměnit:

Akumulátory: elektrochemický princip akumulace

Akumulátor prakticky představuje zdroj napětí. Stav napětí zůstává při vybíjení po dlouhou dobu velmi stabilní a silně poklesne až na konci procesu vybíjení (viz obrázek 1).

Elektrická energie se při nabíjení přeměňuje na chemickou energii tak, aby se při vybíjení zase uvolnila jako elektrická energie. Uložená energie se vypočítá pomocí vzorce: energie (Ws) = (kapacita (Ah) / 3600s) × nominální napětí (V). V závislosti na technologii akumulátoru dosahuje tento princip účinnosti zhruba 50 až 90 procent.

Na rozdíl od kondenzátorů mají akumulátory výhodu v tom, že mají podstatně vyšší obsah energie. Jejich nevýhodou je citlivost na vysoké proudové špičky, které akumulátorům trvale škodí, stejně jako omezený rozsah pracovních teplot cca 0 až 45 °C. Hodnoty vyšší nebo nižší než tyto meze mají z důvodu chemického složení akumulátoru za následek jeho kratší životnost.

Kondenzátor: elektrostatický princip akumulace

Jelikož kondenzátory akumulují energii v elektrostatické formě a při odběru proudu se napětí snižuje téměř lineárně (viz obrázek 1), platí za proudový zdroj energie.

Dosahují účinnosti téměř 98 procent a pracují bez poškození v teplotním rozmezí –40 °C až + 65 °C; při nízkých teplotách jejich kapacita dokonce lehce stoupne. Díky ESR (ekvivalentní sériový odpor) v oblasti miliohmů jsou možné proudové špičky několika set až tisíc ampér. Jejich Achillovou patou je značně nižší obsah energie v porovnání s akumulátorem. Obsah energie se vypočítá podle vzorce: Ws = 0,5 × kapacita (C) × zdvih napětí (ΔV²).

Dimenzování kondenzátoru

Pokud se má elektrické napájení převést z akumulátoru na EDLC, musí se zásadně jinak posoudit dimenzování akumulátoru energie na základě různých technologií a charakteristik. Zaměření výhradně na dimenzování akumulátoru zpravidla nevede k cíli, protože akumulátory jsou často předimenzované, aby se překonaly nutné proudové, resp. výkonové, špičky. U EDLC není zapotřebí předimenzování z důvodu jejich odolnosti vůči proudovým špičkám.

Kdo chce přejít na kondenzátory, měl by si zodpovědět otázky jako: Jak velké je potřebné množství energie pro požadovanou funkci, tzn. jaké provozní a vyrovnávací doby jsou při jakém proudu a jakém zdvihu napětí zapotřebí, resp. jaký se požaduje výkon?

Kondenzátor se může optimálně využít, když se rozpůlí 100 procent nabíjecího napětí. To odpovídá využití energie na 75 procent. Při menších zdvizích napětí je pro stejný odběr energie zapotřebí stále větší kapacita, nebo je navíc zapotřebí měnič DC/DC, aby se dodrželo potřebné rozpětí napětí pro danou aplikaci.

Pokud se čistě energetické posouzení spojí s objemem EDLC a náklady na tyto součásti, často se ukáže, že řešení pouze pomocí kondenzátoru není smysluplné. Odpověď na otázku „Akumulátor, nebo kondenzátor?“ pak zní „Kombinace obou“.

Pomocí takového hybridního řešení lez lépe vyčerpat kapacitu akumulátoru a prodloužit dobu životnosti na jedno nabití. Zároveň se díky nižšímu proudovému zatížení značně prodlouží životnost akumulátoru – podle prvních zkušeností až o 100 procent. Toto řešení lze realizovat pomocí různých topologií, od jednoduchého paralelního zapojení až po aktivně řízené a logicky propojené systémy.

Příklad použití u akumulátorového šroubováku

Praktický příklad akumulátorového šroubováku 14,4 V by měl ozřejmit, jaké budou charakteristiky času nabíjení, výkonu a doby chodu u řešení pouze s EDLC, pouze s lithium-iontovým akumulátorem a u hybridního řešení, tzn. při kombinaci lithium-iontového akumulátoru a EDLC.

V současné době jsou akumulátorové šroubováky většinou vybaveny lithium-iontovým akumulátorem. Jsou lehčí a mají podstatně vyšší kapacitu než jejich předchůdci, NiCd a NiMh akumulátory.

Řešení EDLC

S pěti články EDLC à 350 F zapojenými do série a nabíjecím napětím 13,8 V zašroubovaly při praktickém pokusu zhruba 40 šroubů (4,5 × 40 mm) do dřevěného prkna, aniž by se musel přístroj znovu nabít. Při nabíjecím proudu 20 A byl kondenzátor během 35 sekund opět plně nabitý. Není k tomu zapotřebí žádná nabíjecí elektronika, jen omezovač napětí pro nabíjení.

Výhoda tohoto řešení je v tom, že se nemusí používat odpojovač zátěže při podpětí, protože i při klesajících otáčkách je k dispozici stále ještě dost krouticího momentu. Avšak EDLC umí, ve srovnání s akumulátory, dodat mnohonásobně víc proudu a bez poškození přečkají i velmi nízká napětí. Umožňují více než 100 000 nabíjecích cyklů.

Řešení pomocí lithiumiontového akumulátoru

Pomocí lithium-iontového akumulátoru se jmenovitou kapacitou 1,5 Ah lze s jedním nabitím zašroubovat zhruba 250 šroubů stejné velikosti do stejného dřevěného prkna. Opětovné plné nabití akumulátoru pak trvalo zhruba jednu hodinu.

Přitom je třeba zohlednit, že všechny kvalitní akumulátorové šroubováky mají pro ochranu akumulátoru odpojovač zátěže při podpětí. Jelikož hloubka vybití (depth of discharge, DOD) lithium-iontového akumulátoru činí cca 70 procent, tzn. z 1,5 Ah, je skutečně k dispozici pouze 1,05 Ah. Pokud by se přesto akumulátor vybil, mělo by to za následek trvalé poškození. S rostoucí životností akumulátoru dále klesá podíl využitelné jmenovité kapacity. V praxi akumulátor vydrží 150 až 200 nabíjecích cyklů.

Hybridní řešení

U hybridního řešení byl lithium-iontový akumulátor 1,5 Ah rozšířen o 15 EDLC vždy s kapacitou 25 F. V tom případě bylo možné akumulátorovým šroubovákem zašroubovat do dřevěného prkna zhruba 300 šroubů. Doba nabíjení činila i u tohoto řešení zhruba jednu hodinu, ale životnost akumulátoru se zdvojnásobila až na zhruba 400 nabíjecích cyklů a hloubka vybití se zlepšila a dosáhla 80 až 90 procent.

Závěr

Všechny tři řešení mají výhody i nevýhody, takže není možné přijít s univerzálním doporučením. Nezbývá, než se blíže podívat na skutečnou aplikaci, přičemž rozhodujícími faktory jsou: –Kdo používá aplikaci? –Co se požaduje od zařízení a jak je používáno? –Zdá se, že věci zůstávají i nadále fascinující…