Суперконденсаторы вместо аккумуляторов в ибп
Энергетика — крайне интересная сфера, которая развивается бурными темпами много лет подряд. На Хабре публикуются самые разные статьи об альтернативных источниках энергии, аккумуляторных батареях от Маска, электромобилях и т.п.
Но есть одна тема, которая затрагивается не так уж и часто. Речь идет о суперконденсаторах. Им как раз посвящена эта статья, в ней раскрывается суть суперконденсатора, сферы применения, плюс описываются кейсы из разных отраслей — промышленности, транспорта и т.п., где используются эти системы.
Замена аккумуляторной батареи в источнике бесперебойного питания на суперконденсаторы
В данном примере использовался ИБП, который имел максимальную мощность нагрузки 300 Вт. В нем была удалена нерабочая батарея и установлена плата с суперконденсаторами вместо АКБ.
Первый запуск. И тут же первая неудача: ИБП конечно же включился, но заряжать ионисторы отказался. Почему? Дело в том, что в схеме ИБП имелась защита, которая не давала зарядку если начальное напряжение АКБ меньше 10 В.
Попытка вторая. Тогда я взял сторонний адаптер с выходным напряжение 10 В и просто зарядил конденсаторы перед включением.
Включил ИБП и все наконец-то заработало. Ионисторы продолжили заряжаться до порогового напряжения кислотной батареи.
По итогам было принято решение убрать защиту от низкого напряжения, доработав схему ИБП.
Но это ещё не все подводные камни. Далее было проверенно время работы при выключении питания сети. И результаты довольно специфические. ИБП прекращал свою работу, когда напряжение на ионисторах падало ниже 10 В
В итоге полное время работы, в зависимости от мощности нагрузки могло составлять от 5 до 30 секунд. Хотя, нагрузка, которую питал этот ИБП раньше была не совсем мощной, ее время работы было 18 секунд. В принципе, под мои задачи, этого времени вполне хватало.
Производят ли суперконденсаторы в России?
Да, на Хабре еще несколько лет назад публиковалась новость о том, что в НИТУ «МИСис» разработала технологию, которая открыла возможность отечественной компании запустить производство суперконденсаторов.
Так, в 2017 году компания ТЭЭМП запустила в г. Химки производство высокоэффективных суперконденсаторов и модулей на их основе. При этом все это — чисто российские разработки. ТЭЭМП, к слову, производит плоские единичные элементы в ламинированном корпусе, который может использоваться в химических источниках тока с органическими электролитами: суперконденсаторах, литий-ионных аккумуляторах, металло-воздушных источниках тока.
При этом, ТЭЭМП производит ячейки собственной запатентованной конструкции – призматическая ячейка с токосъемом по всей ее поверхности. И сделано это не для того, чтобы показать свою уникальность, а чисто с практической точки зрения – распределенный по всей поверхности токосъем обеспечивает равномерность тепловых полей, тем самым замедляя процесс деградации и продлевая срок службы суперконденсатора.
Продукция «ТЭЭМП» уникальна по многим параметрам. Суперконденсаторные модули компании успешно работают при температурах до -60°С. Они отличаются низким внутренним сопротивлением, а значит, способны обеспечить большие импульсные токи. Собственная конструкция ячеек и модулей позволяет снизить массу и размер суперконденсаторной сборки на 30% по сравнению с аналогичными устройствами.
Установка в корпус
На место штатной АКБ эту линейку поставить было невозможно. Решение было сделать пропил в боку корпуса и вывести элементы наружу.
Как оказалось, идея вполне рабочая. Конечно емкость конденсаторов нужно существенно увеличить, чтобы добиться значительного увеличения времени работы в случае отключения.
Хотя тут есть и обратная сторона медали: при увеличении общей емкости, увеличится и общее время начальной зарядки. что негативно скажется на удобстве пользования.
Где могут использоваться суперконденсаторы?
Вполне логичный ответ — в отраслях, где нужно отдавать энергию быстро и в большом объеме. В частности, это может быть:
- Альтернативная энергетика, накопление энергии при помощи топлива, волн ветра и солнца.
- Транспортные системы — это может быть запуск двигателя машин, гибридные электрические транспортные средства, локомотивы и т.п.
- Накопители энергии в домохозяйствах — например, там, где используются фотоэлементы или ветрогенераторы.
- Электронные устройства, где суперконденсаторы используются в качестве источника кратковременного питания.
- ИБП — как небольшого размера, так и очень большие. В системах бесперебойного электропитания суперконденсаторы можно использовать совместно с топливными элементами и другими источниками.
- Традиционная энергетика, в сферах, где неизбежны критические нагрузки, но где требуется бесперебойная работа всего и вся. Это могут быть аэропорты, вышки связи, больницы и т.п.
- Электронные устройства разного размера и мощности.
Первое испытание с запуском двигателя
Я купил 6 суперконденсаторов и плату балансовой защиты, бывают они продаются индивидуально под каждый ионистор, а бывает и цельная линейка под шесть штук.
Собрал все воедино.
Плата защиты исключает перезаряд суперконденсаторов напряжением выше 2,7В, поэтому использовать ее практически обязательно нужно, если включение элементов производится последовательно.
Далее я припаял клеммы и установил эту батарею на авто. Но предварительно ее необходимо зарядить небольшим током 5-7 А до рабочего напряжения. На это ушло 10-15 минут времени.
После подключения автомобиль завелся без лишних сложностей, двигатель работал стабильно, напряжение в бортовой сети держалось на должном уровне.
В ходе этого эксперимента выяснились следующие плюсы и минут: батарея из ионисторов быстро разряжалась при выключенном зажигании, а именно где-то через 5-6 часов напряжение падало до 10 В. Это был минус, а плюс был в том, что даже при этом напряжении автомобиль все ещё заводился, так как для ионистора любое напряжение рабочее, в отличии от аккумулятора.
В сухом остатке
В качестве вывода можно подвести итоги, указав преимущества и недостатки суперконденсаторов. Некоторые из них упоминались выше, но сейчас стоит перечислить все это отдельно.
Все, у кого дома имеется источник бесперебойного питания (ИБП) для компьютера, знают его один существенный недостаток, который вылетает его владельцу «в копеечку». Это конечно же недолговечность его аккумуляторов. Обычно, если повезет, они живут 3 года, а затем теряют свою емкость и функционал. Отсюда отпадает возможность использования ИБП непосредственно по назначению.
Почти во всех бесперебойниках используются закрытые, необслуживаемые кислотно-свинцовые аккумуляторы. Само слово «необслуживаемые» четко дает понять, что восстановить такую АКБ невозможно, а если и возможно, то точно ненадолго. И тут появилась идея заменить АКБ на суперконденсаторы (ионисторы). Они имеют громадный срок службы, абсолютно терпимы к высоким нагрузкам, количество циклов заряд-разряд более 10000. Поэтому, если повезет, то бесперебойник станет вечным!
Суперконденсатор, что ты такое?
Все мы знаем, что такое аккумулятор — это источник постоянной мощности, ограниченный током разряда. Батареи бывают большие и маленькие, применяются они крайне широко — от транспорта до игрушек.
Но эта статья посвящена суперконденсаторам, так что пришло время рассказать о них. Так вот, любой суперконденсатор — это источник не постоянной, а импульсной мощности. Она ограничена лишь эквивалентным внутренним сопротивлением, которое позволяет элементу работать, фактически, на токах короткого замыкания.
Но при этом, в отличие от аккумулятора, это источник кратковременных, хотя и мощных импульсов энергии. Соответственно, и используются суперконденсаторы там, где нужна большая мощность на небольшой срок.
Суперконденсаторы называют еще ионисторами. Эти элементы состоят обычно из двух погруженных в электролит электродов и сепаратора. Последний нужен для того, чтобы не допустить перемещение заряда между двумя электродами с противоположной полярностью.
У суперконденсаторов два положительных свойства — высокая мощность и низкое внутренне сопротивление, чем они и отличаются от конденсаторов и аккумуляторных батарей. Чаще всего материал электрода суперконденсаторов — активный углерод, у которого две важные особенности, включая очень большую площадь поверхности и небольшое расстояние между разделенными зарядами.
Еще один положительный момент — длительный срок хранения и продолжительный срок службы суперконденсаторов. Все это — благодаря особенностям накопления энергии. Так, суперконденсаторы работают за счет разделения зарядов. Этот процесс легко обратим, так что отдавать энергию суперконденсаторы могут действительно быстро.
Теперь немного об определении характеристик суперконденсаторов. В отличие от аккумуляторов, где основная характеристика — это емкость, измеряемая в Ампер-часах, у суперконденсаторов это Фарад. Вот формула, которая позволяет определить энергию суперконденсатора:
Энергия (Дж) = 1/2*Емкость (Ф) * Напряжение в квадрате (В)
Есть несколько видов суперконденсаторов:
- Двойнослойные, или ДСК.
- Псевдоконденсаторы.
- Гибридные конденсаторы.
Во втором — система включает два твердых электрода и базируется на двух механизмах сохранения энергии. Это фарадеевские процессы и электростатическое взаимодействие.
Третий вариант — переходный между конденсаторами и аккумуляторами. Электроды здесь выполнены из разных материалов, а накопление заряда осуществляется благодаря разным механизмам.
Суперконденсатор, что ты такое?
Все мы знаем, что такое аккумулятор — это источник постоянной мощности, ограниченный током разряда. Батареи бывают большие и маленькие, применяются они крайне широко — от транспорта до игрушек.
Но эта статья посвящена суперконденсаторам, так что пришло время рассказать о них. Так вот, любой суперконденсатор — это источник не постоянной, а импульсной мощности. Она ограничена лишь эквивалентным внутренним сопротивлением, которое позволяет элементу работать, фактически, на токах короткого замыкания.
Но при этом, в отличие от аккумулятора, это источник кратковременных, хотя и мощных импульсов энергии. Соответственно, и используются суперконденсаторы там, где нужна большая мощность на небольшой срок.
Суперконденсаторы называют еще ионисторами. Эти элементы состоят обычно из двух погруженных в электролит электродов и сепаратора. Последний нужен для того, чтобы не допустить перемещение заряда между двумя электродами с противоположной полярностью.
У суперконденсаторов два положительных свойства — высокая мощность и низкое внутренне сопротивление, чем они и отличаются от конденсаторов и аккумуляторных батарей. Чаще всего материал электрода суперконденсаторов — активный углерод, у которого две важные особенности, включая очень большую площадь поверхности и небольшое расстояние между разделенными зарядами.
Еще один положительный момент — длительный срок хранения и продолжительный срок службы суперконденсаторов. Все это — благодаря особенностям накопления энергии. Так, суперконденсаторы работают за счет разделения зарядов. Этот процесс легко обратим, так что отдавать энергию суперконденсаторы могут действительно быстро.
Теперь немного об определении характеристик суперконденсаторов. В отличие от аккумуляторов, где основная характеристика — это емкость, измеряемая в Ампер-часах, у суперконденсаторов это Фарад. Вот формула, которая позволяет определить энергию суперконденсатора:
Энергия (Дж) = 1/2*Емкость (Ф) * Напряжение в квадрате (В)
Есть несколько видов суперконденсаторов:
- Двойнослойные, или ДСК.
- Псевдоконденсаторы.
- Гибридные конденсаторы.
Во втором — система включает два твердых электрода и базируется на двух механизмах сохранения энергии. Это фарадеевские процессы и электростатическое взаимодействие.
Третий вариант — переходный между конденсаторами и аккумуляторами. Электроды здесь выполнены из разных материалов, а накопление заряда осуществляется благодаря разным механизмам.
Смотрите видео
Полную модернизацию ИБП с корректировкой цепей защиты смотрите в видео ролике автора.
Суперконденсатор или ионистор - это что-то нечто среднее между аккумулятором и обычным конденсатором. У него много плюсов, которыми не обладает аккумуляторная батарея. Поэтому, я познакомлю вас с полностью рабочим прототипом батареи для машины на ионисторах. С помощью него можно не просто завести двигатель пару раз, а вполне полноценно эксплуатировать автомобиль неограниченное время.
Полностью рабочий экземпляр батареи на суперконденсаторах
Собрал всю схему в пластиковой коробке. Временно естественно, чисто покататься и испробовать новшество.
Доброго времени суток всему уважаемому сообществу. Имею честь предложить хабровчанам, заинтересованным в радиоэлектронике, несколько рассуждений и конкретную реализацию блока резервного питания на ионисторах (они же суперконденсаторы с двойным электрическим слоем), предназначенного обеспечить корректное завершение работы процессорного модуля на ARM-микроконтроллере, работающего под стандартным Linux Debian.
Задачка возникла перед вашим покорным слугой в следующем обличье: требуется грамотно погасить ОС Linux (крутящуюся на Embedded-решении) при отключении внешнего питания. Питание это поступало от стандартного порта USB 2.0 на сделанный ранее коробочку-прибор через не менее стандартный USB-B разъём. Неискушённый пользователь этого девайса предпочитал банально выдёргивать USB кабель, следуя принципу «UnPlug-NoPlay-NoProblem». Понятно, что embedded-решение без жёстких дисков и с обнулённой при конфигурировании виртуальной памятью стойко к подобным форс-мажорам, однако пара тысяч пользователе-часов наработки показала, что не всегда получается «без проблем».
Пришлось тряхнуть навыками схемотехники и трассировки, и очередная версия коробочки обзавелась на передней панели RGB-светодиодом и кнопкой, а также пьезосигналом с противным тембром внутри. Несложная программка определяла, корректно ли прошло крайнее отключение. Если некорректно и проступок юзера был первым на её флеш-памяти, то следовало управляющее воздействие: вместо радующего жёлтого и зелёного цветов индикатора коробочка моргала режущим глаз красным и мерзко верещала пару минут, прежде чем успокаивалась и начинала грузиться. Рецидив карался пятью минутами, ещё более мерзким вереском и строкой в мануале, гласящей, что коробочка, заблокированная по причине неоднократного некорректного выключения, снимается с гарантии, вот.
Вы знаете, способ оказался на удивление действенным. Но тут Уважаемый Заказчик выдвинул пожелание, чтобы перед отключением коробочка бы ещё сообщала на сервер, что уходит на время со сцены. Теперь требовался какой-никакой, но источник энергии. Мозг из следующего творческого транса вернулся с мыслью: литий-полимерный аккумулятор – это наше всё! Здравое размышление добавило к этой мысли немало скепсиса: заряжать аккумулятор при каждом включении как-то не очень хотелось, потому как число зарядов-разрядов есть ресурс расходуемый, а также предмет циничного обмана производителями батарей невинных покупателей. Заряжать не при каждом включении, а по мере разряда? Так это надо целый огород городить, батарею калибровать, напряжение на ней с неплохой точностью мерить. В общем, то да сё, и тут на сцену вышел Samsung Galaxy со своими зажигательными аккумуляторами. Представив себе пожар в том месте, где должна была стоять коробочка, пришлось волюнтаристски махнуть шашкой и прекратить мучительные обдумывания второй идеи.
Сходивши в транс по третьему разу, творческий гений принёс на свет ионисторы. А что, вроде неплохо. Ёмкость – в фарадах, число циклов заряда-разряда как бы не ограничено, вольт правда маловато – 2.7 максимум на одну ячейку, а каскадируются они не очень просто. Обдумывать за отсутствием вариантов уже было нечего, и снова пришлось взяться за схемотехнику на пару с трассировкой.
Поиски по бескрайним просторам Инета принесли некоторый улов, и, по недолгим размышлениям, решено было остановиться на микросхеме компании Linear LTC3110. Забегая вперёд, скажу, что была опробована ещё пара вариантов, но не особенно удачно. Если Читателю интересны подробности выбора – милости прошу в личку. Из имеющихся в наличии вариантов LTC3110 содержит практически всё, необходимое для построения источника резервного питания на ионисторах:
— в ней есть понижающее-повышающий преобразователь, что делает конструктора не особо ограниченным в выборе напряжений питания;
— преобразователь этот использует для накопления энергии индуктивность, что заметно повышает КПД и даёт возможность отдавать в нагрузку пару ампер;
— есть возможность ограничить ток, потребляемый при зарядке в диапазоне 125мА — 2А, что особенно важно при питании от USB;
— имеется встроенная схема индивидуальной балансировки последовательно включённых ионисторов для повышения запасаемой мощности и надёжности;
— микросхема снабжена выводами, индицирующими степень заряда ионисторов;
— и, на сладкое, имеется дополнительный компаратор, пороги срабатывания которого задаёт пользователь.
За подробностями и примерами применений отсылаю любопытного Читателя к даташиту на микросхему, всемогущий Гугл с заклинанием «LTC3110 pdf» Вам в помощь.
В теории, для построения работоспособного Микро-ИБП к самой LTC3110 нужно добавить схему, осуществляющую питание коробочки в штатном режиме, при наличии подключения к работающему USB. На эту почётную роль была выбрана ИМС ST1S10PHR, чей неприхотливый нрав и невысокая цена известны и проверены уже давно. Также пришлось добавить ключ, разрывающий цепь питания основных потребителей в процессе начальной зарядки ионисторов. Этот ключик позволяет решить две задачи: во-первых, время начальной зарядки сокращается (поскольку практически всё потребляемое от USB идёт в ионисторы), а во-вторых, исключает неприятную возможность обесточивания при настолько недозаряженном ИБП, что запаса энергии всё же не хватит на корректное отключение. Более того, «высокий старт» с полностью заряженных ионисторов разрешает схеме иногда (но не очень часто) потреблять больше тока, чем может отдать порт USB – дефицит будет пополнен из ионисторов. Такая ситуация может возникнуть, например, при записи большого блока информации на ёмкую USB-флешку, питающуюся вместе с коробочкой.
Думаю, что на этом вводную часть можно завершить, и перейти к конкретной рабочей схеме.
Так выглядит схема микро-UPS на ионисторах.
Питание поступает от порта USB 2.0 (верхний левый угол схемы). На DA1 по рекомендуемой схеме из даташита собран понижающий преобразователь 5В -> 3.3В. Единственная его особенность – дополнительный фильтр от высокочастотного звона на L2 и C7. При желании, эти элементы можно исключить. Резисторы R3…R5 служат для экстренной разрядки ионисторов перед транспортировкой, например, или перед наладкой всей платы в целом, иначе на ней остаётся источник питания, причём достаточно мощный, чтобы чего-нибудь сжечь. Подключаются-отключаются разрядные резисторы перемычкой SA1. VT1,C16,R17 и R18 — ключ питания основных потребителей, о нём уже говорилось выше и придётся добавить пару слов ниже. Всё остальное – стандартная обвязка LTC3110 из даташита.
3V3SBY – дежурное питание схемы управления, в коробочке она реализована на CPLD EPM240T100 от Альтеры, но ничто не мешает исполнить её на микроконтроллере или дискретной логике. 3V3 – основное питание коробочки, резервированное UPSом. Информация о статусе микро-ИБП выводится на PWRFAIL, BATFULL и BATLOW с говорящими сами за себя названиями. PWRFAIL активируется при пропадании питания от USB, BATFULL индицирует достижение зарядом ионисторов уровня 95% (5.2В), BATLOW показывает снижение уровня заряда до 40% (2.1В). При желании, этот уровень можно откорректировать подбором R6 и R7, ориентируясь по даташиту. К сожалению, такой фокус не проходит с уровнем BATFULL – он гвоздями забит в ИМС.
Управляют микроИБП два сигнала: PWRON и BATOFF. PWRON включает основное питание, BATOFF отключает ИБП в целом.
Общая логика работы микроИБП такова:
- в исходном состоянии С8 и С9 полностью разряжены, перемычка SA1 в левом положении, питание 5V USB не подано;
- устройство включается в порт USB-B 2.0;
- преобразователь на DA1 начинает выдавать ток на линию 3V3SBY, запитывая схему управления на CPLD, которая, в свою очередь, размыкает ключ VT1, снимая сигнал PWRON; кроме того, схема управления снимает сигнал BATOFF, включая DA2;
- DA2 начинает заряжать ионисторы; по мере их зарядки деактивируется сигнал BATLOW (при 2.1В), затем активируется BATFULL (при 5.2В на ионисторах);
- появление сигнала BATFULL схема управления расценивает как готовность микроИБП к работе, и включает VT1, подавая питание на основную схему; DA2 при этом продолжает мониторить ионисторы, и при снижении заряда менее 95% начинает подзарядку; подключение VT1 к выводу RSENS DA2 гарантирует, что для подзарядки будет взят такой ток, что не превысит лимит USB с учётом потребляемого основной схемой; если потребление основной схемы этот лимит превысит, начнётся разрядка ионисторов для компенсации излишних трат;
- при отключении 5V USB активируется линия PWRFAIL, давая знать устройству управления, что внешний источник пропал; схема управления формирует запрос на прерывание ARM-процессора для запуска скрипта корректного отключения; всё это время питание осуществляет DA2;
- по завершении процедуры отключения ARM выдаёт сигнал о том, что всё готово к погасанию, и схема управления выставляет BATOFF, отключая DA2; в таком состоянии коробочка находится до подачи питания на 5V USB (см. п.1 за исключением остаточного заряда на С8 и С9);
- если ARM сильно замешкался и не сумел всё позакрывать до сигнала BATLOW, схему придётся обесточить насильно.
Напоследок быстренько пробежимся по настраиваемым параметрам схемы. R1 и R2 определяют выходное напряжение DA1, другое напряжение может потребовать замены С1, С2, С4-С6 и L1. Номинал C8 и С9 определяет только времена зарядки и разрядки ИБП, лично пробовал от 4.7 до 100 Фарад, теоретически ограничений нет. R6 и R7 определяют уровень активизации BATLOW. От соотношения R8/R9 зависит напряжение максимальной зарядки ионисторов. R11 определяет ток, потребляемый от 5V USB, при указанном сопротивлении схема потребляет 0.5А. Соотношение R12/R14 устанавливает такой уровень падения 5V USB, который будет определяться как пропадание питания (PWRFAIL). R15/R16 определяет выходное напряжение DA2 в режиме разрядки.
Выходные сигналы LTC3110 выполнены по схеме «открытый сток» для того, чтобы не привязываться к конкретному напряжению питания. В моей схеме подтягивающие резисторы для них задействованы в CPLD, не проблема задействовать их в любом современном микроконтроллере. Ну уж если вы решите собирать схему управления на К155, то резисторами вам придётся озаботиться самостоятельно.
Пару слов про C16. Получение этого знания отняло у меня больше всего времени, проведённого над макетной платой ИБП. Ведь в чём проблема? В даташите черным по-английски написано, что если вы хотите, чтобы сумма потребляемого основной схемой тока и тока подзарядки ионисторов гарантированно не превысила лимита, установленного R11, будьте добры питать основную схему от вывода RSENS. ОК, договорились. А дальше – интереснее. Поскольку в вашей схеме может быть что угодно, вплоть до КоЗы (КЗ, оно же короткое замыкание, оно же коротыш), говорит даташит, LTC3110 снабжена специальной схемой защиты. ОК, очень мило. А теперь самое интересное. Читаем даташит дальше: а чтобы схема защиты не ошиблась, будьте добры, обеспечьте суммарную ёмкость по линии питания НЕ БОЛЬШЕ, Карл, 10 микроФарад. Опаньки… На всё про всё, и ни в чём себе не отказывайте. И правда, любую нагрузку больше 10uF при подключении клинит… Не обманули, басурмане. Пришлось внести небольшую задержку в ключ на VT1, которую и даёт С16. Понимаю, что на некоторое время VT1 при этом окажется не в ключёвом режиме, а между небом и землёй (в смысле, между VCC и GND), что есть совсем не здорово. Но так хоть работает. Такая вот «нову хаву». Для ревнителей чистоты ключевых режимов добавлю, что пробовал ставить не С16, а индуктивность 1.5 мкГн последовательно с VT1 – всё замечательно работает.
Ниже привожу изображение печатной платы с описываемой схемой, естественно, нумерация компонентов отличается от указанной на принципиальной схеме — она сквозная для всей коробочки.
На сегодняшний день аккумуляторные технологии значительно продвинулись и стали более совершенными по сравнению с прошлым десятилетием. Но все же, пока что аккумуляторные батареи остаются расходным материалом, потому как имеют небольшой ресурс.
Мысль о том, чтобы использовать, конденсатор для накопления и хранения энергии не нова и первые эксперименты проводились с электролитическими конденсаторами. Ёмкость у электролитических конденсаторов бывает значительной – сотни тысяч микрофарад, но все же ее недостаточно для того, чтобы длительное время питать хоть и не большую нагрузку, притом присутствует значительный ток утечки, обусловленный особенностями конструкции.
Современные технологии не стоят на месте, и был изобретен ионистор, это конденсатор, имеет сверхбольшую емкость – от единиц фарад и до десятков тысяч фарад. Ионисторы емкостью единицы фарад используются в портативной электронике, для обеспечения бесперебойного питания слаботочных цепей, например микроконтроллера. А ионисторы емкостью десятки тысяч фарад используются совместно с аккумуляторами для питания различных электродвигателей. В такой комбинации ионистор позволяет уменьшить нагрузку на аккумуляторные батареи, что значительно увеличивает их срок службы аккумулятора и одновременно увеличивает стартовый ток, который способна отдать гибридная система питания двигателя.
Появилась необходимость запитать датчик температуры, таким образом, чтобы не менять в нем батарейку. Датчик питается от батареи типоразмера АА и включается для отправки данных на погодную станцию один раз в 40 секунд. В момент отправки датчик потребляет в среднем 6 мА в течение 2 секунд.
Возникла идея использовать солнечную батарею и ионистор. Исходя из выявленных характеристик потребления датчика, были взяты следующие элементы:
1. Солнечная батарея 5 Вольта и ток примерно 50 мА (Солнечная батарея Советского производства возрастом примерно 15 лет)
2. Ионистор: Panasonic 5.5 Вольт и емкостью 1 фарад.
3. Ионисторы 2 шт: DMF 5.5 Вольт и общей емкостью 1 фарад.
4. Диод Шотки с прямым падением напряжения при малом токе 0.3 В.
Диод Шотки необходим для того чтобы предотвратить разряд емкости через солнечную батарею.
Ионисторы соединены параллельно, и общая емкость составляет 2 фарады.
Фото 1.
Эксперимент №1 – Подключил микроконтроллер с монохромным ЖК-дисплеем и общим током потребления 500 мкА. Хотя микроконтроллер с дисплеем и заработали, но я заметил, что старые солнечные элементы крайне не эффективны, ток заряда в тени был недостаточным для того, чтобы хоть сколько-нибудь зарядить ионисторы, напряжение на 5ти вольтовой солнечной батареи в тени было меньше 2 вольт. (По некоторым обстоятельствам микроконтроллер с дисплеем на фото не показаны).
Эксперимент №2
Для повышения шанса на успех я приобрел на радиорынке новые солнечные элементы номиналами 2 В, током 40 мА и 100 мА, китайского производства залитые оптической смолой. Для сравнения данные батареи в тени уже выдавали 1,8 вольт, при этом не большой ток заряда, но все же заметно лучше заряжающий ионистор.
Спаяв конструкцию уже с новой батареей, диодом шотки и конденсаторами я положил ее на подоконник для того, чтобы конденсатор зарядился.
Притом, что солнечный свет напрямую не попадал на батарею, уже через 10 минут конденсатор зарядился до 1,95 В. Взял датчик температуры, вынул из него батарею и подключил ионистор с солнечной батареей к контактам батарейного отсека.
Фото 2.
Датчик температуры сразу же заработал и передал на метеостанцию комнатную температуру. Убедившись, что датчик работает, закрепил на него конденсатор с солнечной батареей и повесил на место.
Что же было дальше?
Все светлое время суток датчик исправно работал, но с наступлением темного времени суток, уже через час, датчик перестал передавать данные. Очевидно, что запасенного заряда не хватало даже на час работы датчика и потом выяснилось почему…
Эксперимент №3
Решил немного доработать конструкцию таким образом, чтобы ионистор (вернул сборку ионисторов 2 фарады) был полностью заряжен. Собрал батарею из трех элементов, получилось 6 вольт и ток 40 мА (при полном освещении солнцем). Данная батарея в тени уже давала до 3,7 В вместо предыдущей 1,8 В (фото 1) и ток заряда до 2 мА. Соответственно ионистор заряжаясь до 3,7 В и имел уже значительно больше запасенной энергии в сравнении с Экспериментом №2.
Фото 3.
Все бы хорошо, но мы теперь имеем на выходе до 5,5 В, а датчик питается от 1,5 В. Необходим DC\DC преобразователь, что в свою очередь вносит дополнительные потери. Тот преобразователь, который у меня был в наличии, потреблял порядка 30 мкА и на выходе давал 4,2 В. Пока мне не удалось найти нужный преобразователь, для того чтобы запитать датчик температуры уже от модернизированной конструкции. (Нужно будет подобрать преобразователь и повторить опыт).
О потерях энергии:
Выше упоминалось, что ионисторы имеют ток саморазряда, в данном случае у сборки 2 фарада он составлял 50 мкА, так же сюда добавляются потери в DC\DC преобразователе порядка 4% (заявленная эффективность 96%) и его холостой ход 30 мкА. Если не брать во внимание потери на преобразование, мы уже имеем потребление порядка 80 мкА.
Отнестись к энергосбережению необходимо особо внимательно, потому как экспериментальным путем установлено, что ионистор емкостью 2 фарады заряженный до 5,5 В и разряженный до 2,5 В имеет так скажем «аккумуляторную» емкость 1 мА. Иначе говоря – потребляя 1 мА с ионистора в течении часа, мы его разрядим с 5,5 В до 2,5 В.
О скорости заряда прямым солнечным светом:
Ток, получаемый от солнечной батареи тем выше, чем лучше батарея освещена прямыми солнечными лучами. Соответственно скорость заряда ионистора увеличивается в разы.
Фото 4.
Из показаний мультиметра видно (0.192 В, начальные показания), через 2 минуты конденсатор зарядился до 1,161 В, через 5 минут до 3,132 В и еще через 10 минут 5,029 В. В течении 17 минут ионистор был заряжен на 90%. Нужно отметить, что освещение солнечной батареи было неравномерным в течении всего времени и происходило через двойное оконное стекло и защитную пленку батареи.
Технический отчет по Эксперименту №3
Технические характеристики макета:
— Солнечная батарея 12 элементов, 6 В, ток 40 мА (при полной засветке солнцем), (в тени пасмурной погоды 3,7 В и ток 1 мА с нагрузкой на ионистор).
— Ионисторы соединены параллельно, суммарная емкость 2 Фарад, допустимое напряжение 5,5 В, ток саморазряда 50 мкА;
— Диод Шотки с падением прямого напряжения 0,3 В, используется для развязки по питанию солнечную батарею и ионистор.
— Размеры макета 55 х 85 мм (пластиковая карта VISA).
От данного макета удалось запитать:
Микроконтроллер с ЖК-дисплеем (ток потребления 500 мкА при 5,5 В, время работы без солнечной батареи, приблизительно 1,8 часа);
Датчик температуры, время работы световой день с солнечной батареей, потребление 6 мА в течении 2 секунд каждые 40 секунд;
Светодиод светился 60 сек при среднем токе 60 мА без солнечной батареи;
Так же был испробован DC\DC преобразователь напряжения (для стабильного питания), с которым удалось получить 60 мА и 4 В, в течении 60 секунд (при заряде ионистора до 5,5 В, без солнечной батареи).
Полученные данные говорят о том, что ионисторы в данной конструкции имеют приблизительную емкость 1 мА (без подпитки от солнечной батареи с разрядом до 2,5 В).
Выводы:
Данная конструкция позволяет накапливать энергию в конденсаторах для беспрерывного питания микропотребляющих устройств. Накопленная емкость 1 мА на 2 фарады емкости конденсатора должно хватить для обеспечения работоспособности микропроцессора с низким потреблением в темное время суток в течение 10 часов. При этом суммарный ток потерь и потребления нагрузкой не должен превышать 100 мкА. Днем ионистор подзаряжается от солнечной батареи даже в тени и способен питать нагрузку в импульсном режиме током до 100 мА.
Отвечаем на вопрос в заголовке статьи — Может ли ионистор заменить аккумулятор?
– может заменить, но пока со значительными ограничениями по току потребления и режиму работы нагрузки.
- малая емкость запаса энергии (приблизительно 1 мА на каждые 2 Фарад емкости ионистора)
- значительный ток саморазряда конденсаторов (ориентировочная потеря 20% емкости за сутки)
- габариты конструкции определяются солнечной батареей и суммарной емкостью ионисторов.
- отсутствие изнашиваемых химических элементов (аккумуляторов)
- диапазон рабочих температур от -40 до +60 градусов Цельсия
- простота конструкции
- не высокая стоимость
Фото 5.
С одной стороны платы располагаются солнечная батарея, с другой стороны сборка ионисторов и DC\DC преобразователь.
- Солнечная батарея 12 элементов, 6 В, ток 60 мА (при полной засветке солнцем);
- Ионисторы суммарная емкость 4; 6 или 16 Фарад, допустимое напряжение 5,5 В, суммарный ток саморазряда соответственно 120\ 140\ (пока не известно) мкА;
- Диод Шотки сдвоенный с падением прямого напряжения 0,15 В, используется для развязки по питанию солнечной батареи и ионистора;
- Размеры макета: 55 х 85 мм (пластиковая карта VISA);
- Расчетная емкость без подпитки от солнечных батарей при установке конденсаторов 4; 6 или 16 Фарад, составляет примерно 2\ 3\ 8 мА.
Схема
Вот схема второго прототипа батареи.
Оговорюсь сразу: солнечной панели и второго аккумулятора в ней нет. Тут также используется линейка из суперконденсаторов с балансной платой. Также добавлен контроллер заряда аккумулятора, пара переключателей, вольтметр и сам небольшой аккумулятор емкостью 7,5АЧ.
Работа устройства такова: перед запуском авто открываем капот и счелкаем верхний по схеме переключатель. Через мощный 50 Ваттный резистор сопротивлением 1 Ом, ионистор начинает заряжаться от аккумулятора. Заряжать напрямую без этого резистора нельзя, так как для аккумулятора это будет равносильно короткому замыканию.
На все про все уходит 15 минут времени. Для меня это не критично. После этого можно заводить авто и ехать. Также парально резистору воткнут диод Шоттки. Он служит для зарядки аккумулятора после того как двигатель запущен.
А заряжается аккумуляторная батарея через контроллер зарядки.
Он нужен для того, чтобы каждый раз не щелкать переключатель включения, а один раз включить и ехать: встать у магазина и уйти на пару часов. И если ионистор начнет тянуть из аккумулятора ток, и разряжать его ниже 11,4 В, то контроллер зарядки тут же его отключит. Тем самым защитит батарею от полного разряда, что может ее погубить раньше срока.
Нижний по схеме переключатель служит для подключения вольтметра либо к ионисторам, либо к батарее.
Понадобится
Плата балансовой защиты является обязательным элементом. Без нее эксплуатация ионисторов в последовательной цепи невозможна, так как все чревато выходом из строя любого элемента при перезарядке.
Емкость 1 элемента в цепи 500 Фарад и напряжение 2,7 В. То есть 6 штук составят батарею, которую можно зарядить максимум до 16,2 В.
Понадобится
Этого хватит для первого опытного образца.
Примеры
Их можно привести большое количество, но разумно будет ограничиться тремя наиболее показательными.
Частотно-регулируемый электропривод. Здесь суперконденсаторы нужны при просадках напряжения и кратковременном, не более 10 секунд, блэкауте. Такие приводы используются на участках непрерывного технологического цикла на производственных объектах. Кроме того, суперконденсаторы стоит использовать на предприятии и в системах, которые снабжают объект газом, водой, теплом и энергией, т.п. на компрессорных станциях, в котельных, насосных станциях и т.п.
Источник бесперебойного питания. В этом случае суперконденсаторы дают возможность компенсировать провалы напряжения, которые приводят к проблемам с непрерывностью технологических процессов. Здесь речь идет о крупных объектах, включая промышленность и разного рода инфраструктуру — например, транспортную.
Суперконденсаторы, в частности, используются на заводе Skoda в Чехии, а именно — роботизированном цехе по покраске корпусов автомобилей. Если процесс окрашивания по какой-либо причине остановится, потом корпус придется возвращать в начало цикла.
Регулирование выходной мощности турбин ветрогенераторов. Большая проблема альтернативной энергетики — сложность поддержания выходной мощности турбин на одном уровне. Чем выше скорость ветра и сам он мощнее, тем больше вырабатывается энергии. Чем ниже, соответственно — тем энергии меньше. В итоге выходная мощность турбин может меняться, и очень значительно.
В этом случае суперконденсатор может помочь, причем сразу несколькими способами:
- Поддержание электропитания на прежнем уровне на время кратковременного пропадания напряжения.
- Обеспечение стабилизации частоты и напряжения в передающих и распределительных сетях с высокой концентрацией возобновляемых источников энергии.
Читайте также: