Конденсаторы мощные: Конденсаторы высоковольтные керамические

Обзор элементной базы TDK-EPCOS для применения в устройствах силовой электроники

Компания TDK-EPCOS производит широкую номенклатуру электронных компонентов для различных областей электроники. Одним из самых сильных направлений, которые развивает компания TDK-EPCOS в настоящее время, является силовая электроника. В данном обзоре рассмотрено применение элементной базы от TDK-EPCOS в различных узлах преобразователей частоты и источников питания.

 

Структурная схема преобразователя частоты

 

 

Структурная схема источника питания

 

• A: Входной ЭМС-фильтр                                                                            
• B: Дроссели подавления ЭМП                                                                 
• С: Варисторы                                                                                                 
• D: X,Y — Конденсаторы                                                                                 
• E: PTC или NTC термисторы для ограничения тока                             
• F: Пленочные конденсаторы средней мощности для звена ПТ
• G: Электролитические конденсаторы для звена ПТ 
• H: Мощные пленочные конденсаторы для звена ПТ
• I: Температурные сенсоры (NTC или PTC термисторы)
• J: Снабберные или коммутирующие конденсаторы
• K: Ферритовые сердечники (кольцевые, E, U, Iи другие)
• L: Выходные фильтрующие конденсаторы
• M: Выходные фильтрующие катушки дроссели
• N: Силовые трансформаторы
• O: Дополнительные трансформаторы
• P: Многослойные керамические конденсаторы и Ceralink

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ДЛЯ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ 

Электронные компоненты для силовой электроники
Серия	Вид	Технические  параметры	Особенности
Алюминиевые электролитические конденсаторы
Выводы под винт		V: 16 … 600 В DC C: 560 … 680 000 мкФ Срок службы более: 10 000 ч, при +105°C 15 000 ч, при +85°C	-Высокий максимально допустимый пульсирующий ток. -Компактный корпус -Специальная конструкция для охлаждение через основание -Самогасящийся электролит под заказ -Увеличенный срок службы (более 20 лет)
4-/5- выводные (защелкивающиеся и под пайку)		V: 350 … 500 В DC C: 220 … 3300 мкФ 3000 ч, при +105°C 10 000 ч, при +85°C	-Высокий максимально допустимый пульсирующий ток. -Компактный корпус -Увеличенный срок службы (более 20 лет)
Защелкивающиеся выводы		V: 200 … 600 В DC C: 39 … 3300 мкФ 8000 ч, при +105°C 8000 ч, при +85°C
Пленочные конденсаторы для цепей постоянного тока
MKP DC Link		V: 300 … 1300 В DC C: 0. 47 … 480 мкФ T: -40 … + 105°C	-Высокая удельная емкость -Малые потери и высокая нагрузочная способность по току -Пластмассовый корпус и заливаемый компаунд из негорючих материалов (UL94V)
MKP Снабберные		V: 850 … 2000 В DC C: 68 нФ … 5.6 мкФ	-Рабочая температура до +110°C -Очень низкие значения ESLи ESR -Большое количество конфигураций выводов -Высокая устойчивость к импульсным перенапряжениям
MFP Снабберные		V: 1000 … 2000 В DC C: 22 нФ … 0.68 мкФ
MKPDC		V: 700 … 1980 В DC C: 40 … 1500 мкФ T: -55 … + 75°C	-Высокая нагрузочная способность по току -Алюминиевый цилиндрический корпус
MKPDCLSI		V: 500 … 1200 В DC C: 50 … 400 мкФ T: -55 … + 70°C	-Высокая нагрузочная способность по току -Очень низкая ESL -Пластмассовый цилиндрический корпус
PCCLP		V: 450 … 900 В DC C: 300 … 3000 мкФ T: -25 … + 105°C	-Высокая удельная емкость -Очень хорошая способность к самовосстановлению -Изменение конструкции по желанию заказчика
MKKDC MKKDCI PCCHP		V: 700 … 6000 В DC C: 100 … 30 000 мкФ	-Высокая нагрузочная способность по току -Длительный срок службы -Наполнитель: масло или газ
MKK DCR		V: 800 … 1500 В DC C: до 12 500 мкФ T: -25 … + 80°C	-Высокая нагрузочная способность по току -Низкое значение ESL -Заполнение из полимера
Пленочные конденсаторы для цепей переменного тока
Для подавления ЭМП		V: 330, 530 В AC C: 1нФ … 6. 8мкФ	X1 MKP
		V: 305, 350 В AC C: 10нФ … 30мкФ	X2 MKP, X2MKT (для тяжелых условий эксплуатации)
		V: 500 В AC C: 1нФ … 10нФ	Y1 MKP
		V: 300 В AC C: 1нФ … 1мкФ	Y2 MKP
MKP AC		V: 250 … 1000 В AC C: 10 … 600мкФ 3×25 … 3×400мкФ	-Высокая нагрузочная способность по току -Защита от избыточного давления -Алюминиевый корпус
MKD AC
MKK
Керамические конденсаторы
Дисковые с радиальными выводами (высоковольтные)		V: 1 … 6кВ C: 10пФ … 10нФ	-Защита для снабберных цепей
		C: 10пФ … 10нФ	X1/440V, Y2/300V, Y1/400V
CeraLink		V: 500, 700, 900 В DC С: 0. 25 … 20 мкФ T: -40 … + 150°C	-Низкие значения ESR и ESL -Высокая удельная емкость и малые размеры -Надежное функционирование с полупроводниковыми ключами и в системах с высокими частотами переключения

Индуктивные компоненты
Мощные катушки индуктивности		L: 0.3 … 35 мкГ I: 9.3 … 71 А	-Дроссели SMDсо спиральной намоткой из плоского провода -Чрезвычайно высокая допустимая нагрузка по току
		L: 0.82 … 1000 мкГ I: 0.11 … 11 А	-Высокие значения номинального тока -Экранированные и неэкранированные варианты
Трансформаторы		Vin: 36 … 60 В DC Vin: 80 … 265 В DC	-SMDобратноходовые трансформаторы -Трансформаторы для импульсных источников питания
		Vin: 3. 3, 5, 12 В DC Vout: 3.3, 5, 12 В DC	-Трансформаторы для DC/DCпреобразователей -Типичная частота переключений 250кГц
		Visolation: 1500 В DC H: 5.4 мм L x W : 8.1 x 6.7 мм	-Импульсные SMDтрансформаторы для управления затвором и для гальванической развязки -Малая индуктивность рассеяния -Малые паразитные емкости
		Isense: 7 … 40 А Кtr: 1:20 … 1:200	-Токоизмерительные SMDтрансформаторы -Напряжение изоляции до 2400 В AC
Дроссели подавления ЭМП		L: 0.19 … 100 мГн I: 0.25 … 56 А V: 250 … 600 В AC	-Дроссели с кольцевым сердечником -Высокая собственная частота за счет особой технологии намотки
		L: 0. 33 … 100 мГн I: 0.35 … 4.6 А V: 250 … 300 В AC	-Дроссели с U, D, E-образными и рамочными сердечниками -Повышенная индуктивность рассеяния для дросселей с рамочными сердечниками
ЭМС-фильтры
2-канальные фильтры (для однофазных цепей и цепей постоянного тока)		V: 250 … 520 В AC V: 250 … 1500 В DC I: 0.5 … 1600 А	-Подавление синфазных и дифференциальных помех -Одиночный или многокаскадный фильтр
3,4-канальные фильтры (для трёхфазных цепей)		V: 440 … 760В AC I: 6 … 2500 А	-Подавление синфазных и дифференциальных помех -Одиночный или многокаскадный фильтр -Исполнение с и без нейтральной линией
Элементная база для цепей защиты
Варисторы		Imax: 25 … 100 кА (8/20) VRMS: 75 … 1100 В	-Варисторы блочного типа в герметичном пластиковом корпусе -Диаметр: 32 … 80 мм
		Imax: 40 … 75 кА (8/20) VRMS: 130 … 750В	-Варисторы с плоскими выводами -Диаметр: 40 … 50 мм
		Imax: 0. 8 … 20кА(8/20) VRMS: 11 … 1000 В	-Выводные дисковые варисторы -Диаметр: 5 … 25 мм
		Imax: 0.4 … 1.2 кА(8/20) VRMS: 11 … 480В	-SMD варисторы
Разрядники		V: 75 … 7500 В DC Imax: 0.5 … 100 кА	-2 и 3-ех электродные разрядники -SMDи выводные
Термисторы		V: 12 … 1000 В DC R: 0.3 Ом … 10 кОм	-PTCтермисторы для ограничения тока при КЗ и перегрузках
		Imax: 1.3 … 24 А R: 0.5 Ом … 120 Ом	-NTCтермисторы для ограничения пускового тока
Измерительные элементы
NTCТермисторы для измерения температуры		T:-55 … +300°C R25°C: 15 Ом …430кОм	-Высокая точность измерений -Большое количество различных вариантов исполнений
PTCТермисторы для измерения предельной температуры		T: +60 … +160 R: 110 Ом … 10 кОм	-Быстрая и надежная реакция -Большое количество различных вариантов исполнений

 

 

Высоковольтные конденсаторы .

Рынок Электротехники. Отраслевой портал

В статье обсуждается состояние глобального рынка высоковольтных конденсаторов. Читатель должен понимать, что для каждого основного типа используемого в конденсаторах диэлектрика, определение высокого напряжения отличается. Подавляющее большинство конденсаторов, предназначенных для приложений с высоким напряжением, являются конденсаторами на основе электростатической пластиковой пленки, и в этом случае, чаще всего говорят о диэлектриках, представляющих собой пленку полипропиленового типа.

Полипропиленовые пленочные конденсаторы применяются с напряжением в сотни тысяч вольт, и в этом отношении пропиленовая пленка, действительно, выделяется из остальных диэлектриков. Керамические конденсаторы (тоже электростатические), выпускаются для работы с напряжениями до 100 000 Вольт. В статье рассматриваются также и алюминиевые электролитические конденсаторы, особенно с зажимными контактами и защелками, которые выпускаются для напряжений до 500 вольт на ячейку.

Среди других конденсаторов, предназначенных для работы в цепях с высоким напряжением, можно назвать танталовые электролитические конденсаторы, слюдяные конденсаторы, стеклянные конденсаторы, и углеродные конденсаторы. Однако диэлектрики этих типов имеют незначительную долю в общих продажах 2012 года, если их сравнивать с более обширным рынком высоковольтных пленочных конденсаторов, высоковольтными керамическими конденсаторами и высоковольтными алюминиевыми электролитическими.

 

Высоковольтные пленочные конденсаторы

К высоковольтным конденсаторам на основе пластиковой пленки относится ряд подкатегорий, которые, в основном, определяются их применением. Сюда входят конденсаторы для передачи и распределения энергии высокого напряжения, конденсаторы, используемые в высоковольтных двигателях, конденсаторы для промышленной корректировки мощности высокого напряжения, конденсаторы для высоковольтных микроволновых печей, высоковольтные конденсаторы магнитных дросселей, и специальные высоковольтные пленочные конденсаторы для переключения, фильтрации, стабилизации и увеличения мощности. Такие конденсаторы доступны в диапазонах напряжений от 300 VAC до 1 000 000 VAC (1000 кВ), и представляют собой наиболее распространенное семейство продуктов для высоковольтного оборудования во всем мире. Основной диэлектрик, используемый в пленочных конденсаторах высокого напряжения — это полипропилен, который для создания конденсатора высокого напряжения может применяться сам по себе, или вместе с крафт-бумагой, алюминием, или тонкой фольгой.

Помимо упомянутых выше больших и маленьких цилиндрических конденсаторов, существуют и плоские конденсаторы с радиальным выводом, используемые в печатных платах, изготавливаемые из полипропилена, и считающиеся ответвлением рынка мощных пленочных конденсаторов. В эту ветвь рынка входят конденсаторы с радиальным выводом для переменного и импульсного тока, используемые в таких приложениях как цепи размагничивания в телевизорах на ЭЛТ, и в ряде других специальных применений.

Другим продуктом, заслуживающим внимания, являются конденсаторы на пленке из тефлона, предназначенные для работы при температурах 200 градусов Цельсия, и при высоких напряжениях, от 300 вольт до 1 кВ. Также следует упомянуть традиционные конденсаторы на металлизированной полиэтиленовой пленке, некоторые из которых используются при высоких напряжениях.

Чтобы охватить большую часть применений конденсаторов для корректировки мощности, стабилизации, фильтрации и усиления мощности в оборудовании, связанном с напряжением сети, мы также рассматриваем пленочные конденсаторы, применяемые в таких важных приложениях, как оборона, медицина и нефтегазовая промышленность. Это связано со свойством самовосстановления конденсаторов на пластиковой пленке (при появлении микроскопических проколов или порывов в диэлектрике из пластиковой пленки, она может «залечиться», и минимизировать вероятность пробоя конденсатора или его катастрофического отказа). Пленочные конденсаторы представляют наиболее крупный сегмент применения конденсаторов высокого напряжения в рынке 2012 года.

 

Алюминиевые электролитические высоковольтные конденсаторы

Часть всего рынка алюминиевых электролитических конденсаторов может быть отнесена к высоковольтным конденсаторам. К этой группе относятся алюминиевые электролитические конденсаторы на защелках и зажимных контактах, которые способны работать в цепях с напряжением от 100 до 500 Вольт. Эти конденсаторы электролитического типа используются, в основном, в инвертерах и в двигателях, где их применяют для фильтрации напряжений.

Алюминиевые конденсаторы не могут работать с теми же типами высокого напряжения, как и электростатические конденсаторы. Однако они обеспечивают значительную емкость, по сравнению, как с пленочными конденсаторами, так и с керамическими электростатическими конденсаторами. Это позволяет им занимать уникальное место в приложениях силовой электроники. Фактически, многие алюминиевые конденсаторы с зажимными контактами в приложениях, связанных с инвертерами, могут иметь величину емкости от 380 до 25 000 микрофарад. Они также могут устанавливаться параллельно или последовательно, чтобы увеличить общее напряжение и емкость, требуемые для работы инвертера, двигателя, или источника питания.

 

Керамические высоковольтные конденсаторы

В семейство керамических высоковольтных конденсаторов обычно включаются только конденсаторы, работающие с напряжением не менее 500 вольт. Такое напряжение может считаться по своей природе, действительно, высоким напряжением.

Эти конденсаторы могут рассматриваться, как полномочные представители рынка керамических конденсаторов высокого напряжения. К ним относятся многослойные, однослойные и полусферические керамические высоковольтные конденсаторы. Керамические высоковольтные конденсаторы обычно применяются с напряжением от 500 вольт до 100 000 Вольт, и используются, в основном, в специальных источниках энергии, и в связанной с ними силовой электронике. Во всем мире такие приложения относятся к обороне, к медицине, и к забойным насосам.

 

Другие высоковольтные конденсаторы

Чтобы не оставлять в стороне другие диэлектрики, следует отметить, что некоторые продукты на их основе также можно считать относящимися к высокому напряжению. Их не следует исключать из обзора, и поэтому они упоминаются здесь.

— Танталовые электролитические конденсаторы

Танталовые конденсаторы на основе электролита высокой проводимости используются в медицинских имплантатах. Они работают с напряжением от 600 вольт до 1 кВ. Эти конденсаторы по своей природе являются электролитическими конденсаторами, и их уникальная конструкция обеспечивает большую емкость, сравнимую с электролитическими алюминиевыми конденсаторами. Однако танталовые конденсаторы служат дольше.

— Конденсаторы из слюдяной бумаги

Рынок конденсаторов на основе восстановленной слюды является относительно небольшим, однако их уникальная конструкция предоставляет потребителям две специфических возможности — работа при температуре в 200 градусов Цельсия, и работа с высоким напряжением, от 1 кВ до 30 кВ. Слюдяные конденсаторы используются почти исключительно в оборонных приложениях, таких, как детонаторы, и системы зажигания для реактивных двигателей.

— Стеклянные конденсаторы

Конденсаторы из специального стекла изготавливаются исключительно по военным спецификациям, в соответствии с документом MIL-C-11272. Эти стеклянные конденсаторы работают при напряжении в 500 Вольт и используются, как для оборонных приложений, так и для приложений, связанных с забойными насосами.

— Углеродные конденсаторы

Углеродные конденсаторы характеризуются уникальным дизайном и строением, и предлагают пользователям высокую плотность энергии при высоком напряжении (до 1,2 кВ). Применение таких конденсаторов носит почти исключительно военный характер.

Высоковольтные конденсаторы, как часть общего рынка конденсаторов

Основным результатом настоящего отчета является то, что в 2012 году размер рынка конденсаторов высокого напряжения составит в годовом объеме 16% величины всего рынка конденсаторов. Это большой глобальный рынок, на котором спрос образуется, в первую очередь, благодаря приложениям, связанным с оборудованием обслуживания электрических линий, а также приложениям специального характера, таким как оборона, оборудование нефтегазовой промышленности, и медицинские устройства.

Конфигурация компонентов рынка высоковольтных конденсаторов

(малые цилиндрические, большие цилиндрические, выводные и SMD)

 «Цилиндры» отдельных конденсаторов составляют самую большую часть рынка конденсаторов высокого напряжения. На их долю приходится около 74% всего потребления, в то время как традиционные компоненты (чипы, с осевыми и радиальными выводами) составляют в 2012 году в денежном выражении всего 26%.

«Цилиндрические» конденсаторы используются для передачи и распределения электроэнергии и для управления двигателями. Сюда же относятся мощные пленочные конденсаторы, конденсаторы, применяемые для промышленной коррекции мощности,  конденсаторы магнитных дросселей, конденсаторы микроволновых печей, алюминиевые конденсаторы с зажимными контактами и с защелками. Компоненты этой группы включают в себя пленочные конденсаторы импульсного и переменного тока (с радиальными выводами), керамические конденсаторы (многослойные, однослойные, с осевыми и радиальными выводами, и полусферические). Сюда же входят, электролитические танталовые конденсаторы (с осевыми выводами), слюдяные конденсаторы (с осевыми выводами) и стеклянные конденсаторы (с радиальными выводами).

Приведенная ниже схема, разбивает «цилиндрические» высоковольтные конденсаторы на группы. В первую группу выделяются малые цилиндрические конденсаторы (для управления двигателями, промышленной корректировки мощности, для магнитных дросселей, микроволновых печей и алюминиевые конденсаторы на защелках — 45 % объема потребления). Ко второй группе относятся «крупные цилиндрические» конденсаторы (конденсаторы, используемые в передаче и распределении энергии и алюминиевые конденсаторы с зажимными контактами — 29% всего потребления конденсаторов высокого напряжения).

На схеме также показаны чипы поверхностного монтажа (все многослойные), используемые для высоковольтных приложений (9% общего объема), а также выводные конденсаторы (как с осевым, так и с радиальным выводом), такие как конденсаторы с радиальным выводом для импульсного и переменного тока (они составляют 17% объема всех конденсаторов высокого напряжения). К этой же группе относятся керамические выводные конденсаторы, танталовые электролитические конденсаторы и слюдяные конденсаторы.

 

Высоковольтные конденсаторы: Спрос на рынке конечного потребителя

Следующая схема иллюстрирует потребление высоковольтных конденсаторов в сегменте рынка, относящегося к конечным пользователям. В этой схеме мы показываем агрегированное потребление конденсаторов вне зависимости от типа диэлектрика. Читатель должен учесть, что многие из рынков конечных пользователей потребляют больше одного типа конденсатора высокого напряжения. Основной таких рынков являются поставщики энергии — организации, поставляющие и распределяющие электроэнергию, промышленные генераторы и инвертеры, двигатели, а также оборонная электроника, промышленные системы корректировки мощности и другие рынки, связанные с электрическими сетями.

Предметом интереса являются небольшие специализированные сегменты конечных потребителей, где требование высокого напряжения также дополняется другими требованиями, такими, как высокая температура (200 градусов Цельсия, и выше), высокая частота (превышающая 1 Ггц), способность работать в условиях радиации, коррозии, или очень сильной вибрации в течение длительных промежутков времени. К таким рынкам относятся оборона, электроника нефтегазовой отрасли, медицинская электроника, производство полупроводников и другие нестандартные рынки, которые совместно обеспечили в 2012 году объем в 13% потребления высоковольтных конденсаторов.

разбивает «цилиндрические» высоковольтные конденсаторы на группы. В первую группу выделяются малые цилиндрические конденсаторы (для управления двигателями, промышленной корректировки мощности, для магнитных дросселей, микроволновых печей и алюминиевые конденсаторы на защелках — 45 % объема потребления). Ко второй группе относятся «крупные цилиндрические» конденсаторы (конденсаторы, используемые в передаче и распределении энергии и алюминиевые конденсаторы с зажимными контактами — 29% всего потребления конденсаторов высокого напряжения).

На схеме также показаны чипы поверхностного монтажа (все многослойные), используемые для высоковольтных приложений (9% общего объема), а также выводные конденсаторы (как с осевым, так и с радиальным выводом), такие как конденсаторы с радиальным выводом для импульсного и переменного тока (они составляют 17% объема всех конденсаторов высокого напряжения). К этой же группе относятся керамические выводные конденсаторы, танталовые электролитические конденсаторы и слюдяные конденсаторы.

Прогноз: Перспективы высоковольтных конденсаторов для сегмента конечных пользователей в 2017 году

Основным растущим рынком высоковольтных конденсаторов станут промышленные приводы и инвертеры, PSC-двигатели, электроника нефтегазовой промышленности, и медицинская электроника. Спад будет происходить на рынке телевизоров (размагничивание), микроволновых печей (серьезное давление на снижение цен) и балластного освещения (замена на LED).

Предполагается, что в ближайшие пять лет основные рынки высоковольтных конденсаторов останутся в трех основных регионах мира — Азиатско-Тихоокеанский, США, и Европа. Рост по типам конденсаторов будет идти в основном в сегменте больших цилиндрических электролитических конденсаторов, высоковольтных многослойных конденсаторов, а также танталовых электролитических конденсаторов, слюдяных, и стеклянных конденсаторов. Рост пленочных конденсаторов останется стабильным, хотя в некоторых сегментах наметится спад. Это такие сегменты, как дроссельные конденсаторы, конденсаторы для микроволновых печей, и конденсаторы для размагничивания.

В результате, рост пленочных конденсаторов снизится по сравнению с алюминиевыми и керамическими конденсаторами. Но в целом, высоковольтные конденсаторы останутся значительной частью глобальной индустрии конденсаторов, и сохранятся в тех сегментах рынка, которые продолжат быть значимо доходными для производителей. Эта тенденция особенно усилится после того, когда требования высокого напряжения сравняются с требованиями к работе в условиях высокой температуры, высокой частоты, сильной вибрации, коррозии, радиации, и других аспектов по-настоящему суровой окружающей среды.

Как работают суперконденсаторы? — Объясните это.

Криса Вудфорда. Последнее обновление: 4 апреля 2022 г.

Если вы думаете, что электричество сегодня играет большую роль в нашей жизни, вы «еще ничего не видели»! В ближайшие несколько десятилетий наши автомобили, работающие на ископаемом топливе, и отопление домов должны будут перейти на электроэнергию. также, если у нас есть надежда предотвратить катастрофические климатические изменять. Электричество — чрезвычайно универсальная форма энергии, но имеет один большой недостаток: его относительно трудно хранить в спешке. Аккумуляторы могут хранить большое количество энергии, но на это уходят часы. заряжать. Конденсаторы, напротив, заряжаются почти мгновенно, но хранят лишь незначительное количество энергии. В нашем электрическом будущем когда нам нужно хранить и высвобождать большое количество электроэнергии очень быстро, вполне вероятно, мы обратимся к суперконденсаторам (также известные как ультраконденсаторы), которые объединить лучшее из обоих миров. Что они собой представляют и как они работают? Давайте посмотрим поближе!

Фото: Стек суперконденсаторов Maxwell, используемых для накопления энергии в электромобилях. Фото Уоррена Гретца предоставлено Министерством энергетики США/NREL (Министерство энергетики США/Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии), NREL image id#46619.

Содержимое

1. Как сохранить электрический заряд?
2. Что такое суперконденсатор?
3. Чем суперконденсаторы отличаются от батарей и обычных конденсаторов?
4. Для чего используются суперконденсаторы?
5. Узнать больше

Как сохранить электрический заряд?

Батареи и конденсаторы выполняют одинаковую работу — накапливают электричество, — но совершенно по-разному.

Батареи имеют две электрические клеммы (электрода), разделенные химическим вещество, называемое электролитом. Когда вы включаете питание, происходят химические реакции с участием как электродов, так и электролит. Эти реакции превращают химические вещества внутри батареи в другие вещества, высвобождая электрическую энергию, когда они идти. Как только все химические вещества будут израсходованы, реакции остановятся и батарея разряжена. В перезаряжаемой батарее, такой как литий-ионный блок питания, используемый в портативном компьютере или MP3-плеере реакции могут с удовольствием бегают в любом направлении, так что обычно вы можете заряжать и разряжать сотни раз, прежде чем батарея потребует замены.

Фото: Типичная угольно-цинковая батарея имеет накопленное на заводе электричество и может быть разряжена только один раз, прежде чем ее придется выбросить. Такие батареи дороги в использовании и вредны для окружающей среды — каждый год во всем мире выбрасываются миллиарды таких батарей.

В конденсаторах для хранения энергии используется статическое электричество (электростатика), а не химия. Внутри конденсатора есть две проводящие металлические пластины с изолирующим материалом, называемым диэлектриком, между ними — это диэлектрик. бутерброд, если хотите! Зарядка конденсатора немного напоминает трение воздушного шара о свитер. чтобы он прилип. Положительные и отрицательные электрические заряды накапливаются на пластинах, а расстояние между ними, препятствующее их соприкосновению, накапливает энергию. Хороший диэлектрик позволяет конденсатору определенного размера сохранять больше заряда при том же напряжении, чем конденсатор с худшим качеством, поэтому можно сказать, что он делает конденсатор более эффективным в качестве устройства накопления заряда.

Фото: Типичные электролитические конденсаторы в электронной схеме. Каждая из них хранит в несколько раз меньше энергии, чем батарея, но может мгновенно заряжаться и разряжаться почти любое количество раз. В отличие от батареи, положительные и отрицательные заряды в конденсаторе полностью создаются статическим электричеством; никаких химических реакций не происходит.

Конденсаторы имеют много преимуществ перед батареями: они меньше весят, как правило, не содержат вредные химические вещества или токсичные металлы, и их можно заряжать и разряжался миллионы раз, не изнашиваясь. Но они имеют и большой недостаток: килограмм за килограммом, их базовая конструкция не позволяет им хранить что-либо вроде того же количества электрическая энергия в виде аккумуляторов.

Можем ли мы что-нибудь с этим сделать? Вообще говоря, вы можете увеличить энергию конденсатор будет хранить либо с использованием лучшего материала для диэлектрика или с использованием больших металлических пластин. Для хранения значительного количества энергии, вам нужно будет использовать абсолютно огромные тарелки. Грозовые тучи, например, являются сверхгигантскими конденсаторами, которые хранят огромное количество энергии — и все мы знаем, насколько они велики! Что об усилении конденсаторов за счет улучшения диэлектрического материала между плитами? Изучение этого варианта привело ученых к разработке суперконденсаторы в середине 20 века.

Художественное произведение: Батареи отлично подходят для хранения большого количества энергии в относительно небольшом пространстве, но они тяжелые, дорогие, медленно заряжаются, имеют ограниченный срок службы и часто изготавливаются из токсичных материалов. Обычные конденсаторы лучше почти во всех отношениях, но не так хороши для хранения большого количества энергии.

Что такое суперконденсатор?

Суперконденсатор (или ультраконденсатор) отличается от обычного конденсатора двумя важными моментами: его пластины фактически имеют гораздо большую площадь, а расстояние между ними намного меньше, потому что разделитель между ними работает иначе, чем обычный диэлектрик. Хотя слова «суперконденсатор» и «ультраконденсатор» часто используются как синонимы, между ними есть разница: обычно они построены из разных материалов и структурированы немного по-разному, поэтому они хранят разное количество энергии. Для целей этого простого введения мы предположим, что это одно и то же.

Как и обычный конденсатор, суперконденсатор имеет две разделенные пластины. Пластины изготовлены из металла, покрытого пористым веществом, таким как порошкообразный активированный уголь, что фактически дает им большую площадь для хранения большего количества заряда. Представьте на мгновение, что электричество — это вода: если обычный конденсатор похож на ткань, которая может убрать только крошечную каплю, то пористые пластины суперконденсатора делают его больше похожим на толстую губку, которая может впитать во много раз больше. Пористые пластины суперконденсаторов — электрические губки!

А разделитель между пластинами? В обычном конденсаторе пластины разделены относительно толстым диэлектриком, сделанным из чего-то вроде слюды (керамики), тонкой пластиковой пленки или даже просто воздуха (в чем-то вроде конденсатора, который действует как регулятор настройки внутри радиоприемника). Когда конденсатор заряжается, на одной пластине образуются положительные заряды, а на другой — отрицательные, создавая между ними электрическое поле. Поле поляризует диэлектрик, поэтому его молекулы выстраиваются в направлении, противоположном полю, и уменьшают его напряженность. Это означает, что пластины могут хранить больше заряда при заданном напряжении. Это показано на верхней диаграмме, которую вы видите здесь.

Рисунок: Вверху: Обычные конденсаторы накапливают статическое электричество, накапливая противоположные заряды на двух металлических пластинах (синяя и красная), разделенных изолирующим материалом, называемым диэлектриком (серый). Электрическое поле между пластинами поляризует молекулы (или атомы) диэлектрика, заставляя их ориентироваться в направлении, противоположном полю. Это снижает напряженность поля и позволяет конденсатору хранить больше заряда при заданном напряжении. Подробнее читайте в нашей статье о конденсаторах.

Внизу: Суперконденсаторы хранят больше энергии, чем обычные конденсаторы, создавая очень тонкий «двойной слой» заряда между двумя пластинами, которые сделаны из пористых, обычно углеродсодержащих материалов, пропитанных электролитом. Пластины фактически имеют большую площадь поверхности и меньшее разделение, что дает суперконденсатору способность хранить гораздо больше заряда.

В суперконденсаторе диэлектрика как такового нет. Вместо этого обе пластины пропитаны электролитом и разделены очень тонким изолятором (который может быть сделан из углерода, бумаги или пластика). Когда пластины заряжены, противоположный заряд формируется с обеих сторон сепаратора, создавая так называемый двойной электрический слой толщиной всего в одну молекулу (по сравнению с диэлектриком, толщина которого может варьироваться от нескольких микрон до миллиметра). больше в обычном конденсаторе). Вот почему суперконденсаторы часто называют двухслойными конденсаторами, также называемыми электрическими двухслойными конденсаторами или EDLC). Если вы посмотрите на нижнюю диаграмму на иллюстрации, вы увидите, что суперконденсатор похож на два обычных конденсатора, расположенных рядом.

Емкость конденсатора увеличивается с увеличением площади пластин и уменьшением расстояния между пластинами. Короче говоря, суперконденсаторы получают гораздо большую емкость за счет комбинации пластин с большей эффективной площадью поверхности (из-за их конструкции из активированного угля) и меньшим расстоянием между ними (из-за очень эффективного двойного слоя).

Первые суперконденсаторы были изготовлены в конце 1950-х годов с использованием активированного угля в качестве пластин. С тех пор достижения в материаловедении привели к разработке гораздо более эффективных пластин из таких материалов, как углеродные нанотрубки (крошечные углеродные стержни, построенные с использованием нанотехнологии), графен, аэрогель и титанат бария.

Чем суперконденсаторы отличаются от батарей и обычных конденсаторов?

Фотографии: Иногда суперконденсаторы могут использоваться в качестве прямой замены батарей. Вот беспроводная дрель, работающая от батареи суперконденсаторов, для использования в космосе, разработанная НАСА. Большим преимуществом перед обычной дрелью является то, что ее можно заряжать за секунды, а не за часы. Астронавты, выходящие в открытый космос, не всегда могут ждать всю ночь, чтобы начать свои тренировки! Фото предоставлено Исследовательским центром Гленна НАСА (NASA-GRC).

Основная единица измерения электрической емкости называется фарад (Ф) в честь британского химика и физика-первопроходца. Майкл Фарадей (1791–1867). Типичные конденсаторы, используемые в электронных схемах, хранят лишь незначительное количество электричества (их обычно измеряют в единицах, называемых микрофарадами (миллионными долями фарад), нанофарадами (миллиардными долями фарад), или пикофарады (триллионные доли фарада). Напротив, типичный суперконденсатор может накапливать заряд в тысячи, миллионы или даже миллиарды раз больше (оценивается в фарадах). Самые большие коммерческие суперконденсаторы, производимые такими компаниями, как Maxwell Technologies®, имеют номинальную емкость до нескольких тысяч фарад. Это по-прежнему составляет лишь часть (может быть, 10–20 процентов) электроэнергии, которую вы можете упаковать в аккумулятор. батарея. Но большое преимущество суперконденсатора в том, что он может хранить и отдавать энергию почти мгновенно — гораздо быстрее, чем батарея. Это потому, что суперконденсатор работает, создавая статические электрические заряды. заряды на твердых веществах, в то время как батарея основана на зарядах, которые медленно производятся в результате химических реакций, часто с участием жидкостей.

Батареи и суперконденсаторы часто сравнивают по энергии и мощности. В повседневной речи эти два слова взаимозаменяемы; в науке мощность — это количество энергии, используемой или произведенной за определенный промежуток времени. Батареи имеют более высокую плотность энергии (они хранят больше энергии на единицу массы), но суперконденсаторы имеют более высокую плотность мощности (они могут выделять энергию быстрее). Это делает суперконденсаторы особенно подходящими для относительно быстрого хранения и высвобождения больших объемов энергии, но батареи по-прежнему являются основными для хранения больших объемов энергии в течение длительных периодов времени.

Хотя суперконденсаторы работают при относительно низком напряжении (возможно, 2–3 вольта), их можно соединить последовательно (как батареи) для получения более высокого напряжения для использования в более мощном оборудовании.

Поскольку суперконденсаторы работают электростатически, а не через обратимые химические реакции, они теоретически могут быть заряжены и разряжаться любое количество раз (листы спецификаций для коммерческих суперконденсаторы предполагают, что вы можете включить их, возможно, миллион раз). У них мало или нет внутреннего сопротивления, что означает, что они накапливают и выделяют энергию. не потребляя много энергии и работая на скорости, близкой к 100 процентная эффективность (97–98% обычно).

Для чего используются суперконденсаторы?

Если вам необходимо хранить разумное количество энергии в течение относительно короткого времени (от нескольких секунд до нескольких минут), у вас слишком много энергии, чтобы хранить в конденсаторе, и у вас нет времени зарядить аккумулятор, суперконденсатор может быть именно то, что вам нужно. Суперконденсаторы были широко используются в качестве электрических эквивалентов маховиков в машинах — «энергетические резервуары», которые сглаживают подвод электроэнергии к электрическим и электронное оборудование. Суперконденсаторы также могут быть подключены к батареи для регулирования мощности, которую они обеспечивают.

Фотографии: большой суперконденсатор, используемый для накопления энергии в гибридном автобусе. Суперконденсаторы используются в рекуперативных тормозах, широко применяемых в электромобилях. Фото предоставлено Исследовательским центром Гленна НАСА (NASA-GRC).

Одним из распространенных применений являются ветряные турбины, где очень большие суперконденсаторы помогают сгладить прерывистую мощность, подаваемую ветром. В электрических и гибридных транспортные средства, суперконденсаторы все чаще используются в качестве временных запасы энергии для рекуперативного торможения (где Энергия, которую транспортное средство обычно расходует при остановке, ненадолго сохраняется и затем повторно используется, когда он снова начинает двигаться). Моторы, которые управляют электромобили работают от источников питания, рассчитанных на сотни вольт, что означает, что сотни суперконденсаторов, соединенных последовательно, необходимо для хранения нужного количества энергии в типичном регенеративном тормоз.

Благодаря таким приложениям будущее суперконденсаторов выглядит очень радужным. А Отчет Allied за 2020 г. Market Research оценил мировой рынок суперконденсаторов в скромные 3,27 миллиарда долларов в 2019 году, но предсказал, что достигнет 16,95 млрд долларов в 2027 году — пятикратный рост всего за несколько лет!

Узнайте больше

На этом сайте

• Батарейки
• Конденсаторы
• Электричество
• Рекуперативные тормоза

Книги

• Суперконденсаторы: материалы, системы и приложения М. Олис Скибио, Б. Вишванатан. Elsevier, 2020. Исследует проблему разработки суперконденсаторов через призму материаловедения: из каких материалов получаются лучшие электроды и электролиты?
• Суперконденсаторы: материалы, системы и приложения Франсуа Бегена и Эльжбеты Фраковяк (редакторы). John Wiley & Sons, 2013. Всесторонний текущий обзор электрохимии и применения суперконденсаторов.
• Электрохимические суперконденсаторы для хранения и доставки энергии: основы и применение Айпинг Ю, Виктор Шабо и Цзюцзюнь Чжан. CRC Press, 2013. В этой книге большое внимание уделяется практическим применениям, а также истории, производству, будущим задачам и направлениям исследований.
• Электрохимические суперконденсаторы: научные основы и технологические приложения, Б. Э. Конвей. Springer, 1999. Объясняет основы науки о двухслойных конденсаторах и различиях между суперконденсаторами и батареями, прежде чем рассматривать такие области применения, как электромобили и компьютерная память.

Статьи

• Превращение кирпичей в суперконденсаторы Мария Галлуччи, IEEE Spectrum, 13 августа 2020 г. Как превратить обычные кирпичи в накопители энергии с помощью простого полимерного покрытия.
• Мыло, моющие средства и даже слабительные могут зарядить альтернативу аккумулятору, СяоЧжи Лим, IEEE Spectrum, 22 августа 2019 г. Как новые электроды могут помочь суперконденсаторам увеличить их емкость накопления энергии.
• Напечатанный на 3D-принтере графеновый аэрогель обеспечивает самую высокую емкость для суперконденсатора от Dexter Johnson. IEEE Spectrum, 23 октября 2018 г.
• Прорыв в хранении энергии может сократить время зарядки электромобилей, Адам Вон, The Guardian, 26 февраля 2018 г. Могут ли суперконденсаторы с быстрой зарядкой революционизировать срок службы «батарей» в электромобилях?
• Нановолокна могут придать аккумуляторным электродам необходимое ускорение от Декстера Джонсона. IEEE Spectrum, 29 сентября 2017 г.
.
• Цветок можно использовать как суперконденсатор: Physics World, 28 февраля 2017 г. Шведские ученые, которые превратили розу в транзистор, теперь использовали аналогичные идеи для создания суперконденсатора.
• Как микроскопический суперконденсатор будет перезаряжать мобильную электронику Махер Ф. Эль-Кади и Ричард Б. Канер. IEEE Spectrum, 28 сентября 2015 г. Крошечные плоские графеновые суперконденсаторы могут привести к большому прогрессу в микроэлектроники, что делает повседневные гаджеты меньше, дешевле и с гораздо более длительным временем автономной работы.
• Суперконденсаторы совершают огромный скачок в производительности Декстер Джонсон, IEEE Spectrum, 28 мая 2015 г. Корейские ученые добились четырехкратного увеличения плотности энергии для суперконденсаторов на основе графена.
• Ученые должны перестать путать аккумуляторы и суперконденсаторы, утверждают эксперты, Прачи Патель, IEEE Spectrum, 18 марта 2014 г. Почему переупаковывать аккумуляторы в суперконденсаторы неправильно и бесполезно.
• Графеновый суперконденсатор бьет рекорд по хранению, Belle Dumé, Physics World, 26 ноября 2010 г. Как исследователи построили суперконденсатор на основе графена с плотностью энергии, аналогичной никель-металлогидридным батареям.
• «UltraBattery» может поставить гибрид в каждый гараж, Мэтью Феникс, Wired, 25 января 2008 г. Как сочетание старомодных свинцово-кислотных аккумуляторов и суперконденсаторов может сэкономить на эксплуатационных расходах в гибридных автомобилях.

Патенты

В патентах вы найдете более глубокие технические детали; вот небольшая, но репрезентативная выборка:

• US20180197690A1: Многослойные графеновые пленки, устройства накопления энергии с использованием многослойных графеновых пленок в качестве электродов, а также методы производства многослойных графеновых пленок и устройств накопления энергии Донг-Вук Ли и др. , Samsung, 12 июля 2018 г. Суперконденсатор на основе графена имеет электроды, которые тоньше, дешевле и более гибкие, чем электроды на основе более ранних материалов, таких как оксид индия-олова (ITO).
• US6697249B2: Суперконденсатор и способ изготовления такого суперконденсатора, Юрий Малетин и др., FOC Frankenburg Oil Co, 24 февраля 2004 г. В этой конструкции электроды изготовлены из порошков наноструктурированного углерода (SNC).
• US6187061: Структура суперконденсатора и способ ее изготовления, Гленн Г. Аматуччи и др., Telcordia, 13 февраля 2001 г. Суперконденсатор на основе композитных электродов с полимерной матрицей.
• US5426561A: Ультраконденсаторы и суперконденсаторы с высокой плотностью энергии и высокой плотностью мощности, авторы Шиао-Пинг С. Йен и Кэрол Р. Льюис, НАСА, 20 июня 1995. Описано применение тонкополимерных электродов.

Lamborghini использует суперконденсаторы в своем самом мощном автомобиле

‘;

Байрон Херд 9 сентября 2019 г.

Посмотреть галерею

18

фото

Байрон Херд 9 сентября 2019 г.

Lamborghini, которая имеет преимущество в том, что может устанавливать высокие цены на свои ультра-эксклюзивные автомобили с высокими характеристиками, делает то, что на данный момент не могут сделать экономичные основные бренды: Sián мощностью более 800 лошадиных сил — это умеренная гибридный суперкар без аккумуляторной батареи.

48-вольтовый электродвигатель Sián, встроенный в трансмиссию, использует суперконденсатор в качестве резерва мощности. Lamborghini не предоставила точные характеристики своего суперконденсатора, но сообщила, что он в три раза мощнее литий-ионного аккумулятора того же веса.

Зависящие от аккумуляторов производители, такие как Tesla , стремятся найти новые решения , которые расширяют диапазон и сокращают время зарядки, одновременно сокращая спрос на конфликтные материалы. В то время как отрасль в основном по-прежнему сосредоточена на совершенствовании аккумуляторных технологий, некоторые производители уже с нетерпением ждут следующего решения для хранения энергии.

Для многих в отрасли это технология суперконденсаторов — возможно, в сочетании с несколько более медленным и стабильным химическим составом батареи или с уменьшенной частью трансмиссии.

Гибридный гиперкар Lamborghini Sián

В Sián суперконденсатор обеспечивает мощность электродвигателя, достаточную для обеспечения дополнительных 34 лошадиных сил. Lamborghini использует это, чтобы сгладить ускорение, преодолевая разрывы в подаче мощности, которые возникают, когда механическая трансмиссия переключает передачу. Lamborghini говорит, что такой подход устраняет любые рывки, которые обычно возникают во время смены. Это также делает Sián быстрее, так как в его ускорении меньше пробелов.

Поскольку суперконденсаторы могут заряжаться и разряжаться симметрично, они представляют собой невероятно эффективное средство обеспечения кратковременной, но мощной электрической помощи в транспортном средстве, движущемся по трассе. Суперконденсатор разряжается во время ускорения и перезаряжается во время торможения, а это означает, что в этой ситуации электродвигателю практически никогда не хватает мощности, необходимой ему для выполнения своей работы.

Это не первый раз, когда Lamborghini использует технологию суперконденсаторов в своем флагманском автомобиле. Aventador, который был предыдущей топовой моделью Lamborghini, использовал суперконденсатор в своей системе автоматической остановки и запуска, а не стартер с батарейным питанием.

Теги:

Гибриды Гиперкары суперконденсаторы

Пожертвовать:

• Отправьте нам чаевые
• Связаться с редактором

• Технология Lucid EV для электромобилей Aston Martin

  Бенгт Халворсон 26 июня 2023 г.

  «Передовая технология трансмиссии» Lucid будет сочетаться с электронной архитектурой Mercedes в семействе электрифицированных Aston Martin ближайшего будущего.

• Chevrolet Silverado EV Work Truck Буксировка, грузоподъемность подтверждена

  Chevy обновляет рейтинги буксировки и грузоподъемности для своего первого электрического пикапа, но пассажирские версии еще впереди.

  Стивен Эдельштейн 26 июня 2023 г.

• 2022 Подключаемый гибрид Jeep Grand Cherokee 4xe отозван из-за возможной остановки двигателей

  Проблема со связью между модулем управления коробкой передач и процессором управления гибридной системой в моделях Jeep Grand Cherokee 4xe может привести к остановке двигателя.

  Стивен Эдельштейн 26 июня 2023 г.

• Rolls-Royce рассматривает топливные элементы как будущую возможность, но не сжигание водорода

  Rolls-Royce выпускает свой первый электромобиль, но генеральный директор компании говорит, что компания может перейти на топливные элементы.

  Стивен Эдельштейн 25 июня 2023 г.

• Генеральный директор Ford о Cybertruck, Rivian R2, Cadillac Lyriq 2024 года: неделя в обратном направлении

  Что генеральный директор Ford думает о Cybertruck? Сколько будет стоить Rivian R2? Какие изменения в модельном ряду получит Cadillac Lyriq 2024 года? Это наш взгляд на Неделю в обратном направлении, прямо здесь, в Green Car Reports. Генеральный директор Ford Джим Фарли не стеснялся говорить с Джимом Крамером из CNBC, говоря о Tesla…

  Джоэл Федер 24 июня 2023

• Rivian приобретает Better Routeplanner

  В духе Apple Rivian приобрела Better Routeplanner вместо того, чтобы начинать с нуля планировщик маршрутов для своих электромобилей.

  Стивен Эдельштейн 23 июня 2023 г.

• Mazda обращается к Panasonic за цилиндрическими аккумуляторами для электромобилей

  Стивен Эдельштейн 23 июня 2023 г.

  Интерес Mazda к цилиндрическим элементам может последовать за Tesla и Lucid, поскольку японский бренд планирует выпуск электромобилей.

• Ford и SK получили государственный кредит в размере 9,2 млрд долларов для завода по производству аккумуляторов

  Этот кредит представляет собой крупнейший кредит, предоставленный администрацией Байдена в связи с производством электромобилей, и он поможет финансировать строительство заводов по производству аккумуляторов BlueOval SK в Кентукки и Теннесси.