Svelare il Mistero dei SuperCaps
I supercondensatori trovano il loro posto nei moderni sistemi elettronici, soprattutto se si sta ciclando frequentemente la carica al loro interno o se è necessario gestire un carico di corrente molto elevato.
I condensatori sono utilizzati in tutti i progetti, poiché il disaccoppiamento è obbligatorio nella maggior parte dei progetti per filtrare qualsiasi rumore o creare un oscillatore. Per questi condensatori, un valore maggiore è espresso in microfarad, mentre i valori più piccoli sono indicati in picoFarad. L’unità di misura per i supercondensatori è nell’intervallo dei Farad. Grazie alla sua alta capacità, può competere con le batterie quando sono necessarie poche ore di riserva. Possono anche lavorare in combinazione con le batterie per fornire alti livelli di potenza per brevi periodi di tempo. Con elevate capacità di corrente, possono essere utilizzati anche in applicazioni di recupero energetico, come nei sistemi di frenata e recupero di energia nei veicoli ibridi. Per raggiungere valori elevati, i supercondensatori non possono utilizzare la tecnologia impiegata nei condensatori standard. Esistono diversi tipi di tecnologie per supercondensatori che possono essere utilizzate, ma quella più ampiamente adottata è nota come condensatore a doppio strato. L’elettrolita organico interno è facile da produrre ed è più sicuro rispetto, per esempio, alle batterie agli ioni di litio. La struttura di un supercondensatore è simile a quella di 2 condensatori in serie. Due elettrodi (3) posizionati tra collettori (2) sono separati da una membrana permeabile agli ioni (6) con un elettrolita (5) che collega entrambi gli elettrodi. Quando gli elettrodi sono polarizzati da una tensione applicata (1), gli ioni nell’elettrolita formano un doppio strato elettrico (4) che ha una polarità opposta alla polarità del primo elettrodo. Questo meccanismo spiega il nome di condensatori a doppio strato.
È possibile che la distanza tra i due strati di carica sia estremamente piccola, il che significa che è possibile ottenere livelli di capacitanza molto elevati. Esistono due tipi di condensatori a doppio strato derivanti da diversi meccanismi di immagazzinamento della carica:
- Capacitore a doppio strato elettrico: un EDLC immagazzina energia nel doppio strato all'interfaccia elettrodo/elettrolita. In questo tipo di condensatore, il materiale dell'elettrodo utilizzato per la costruzione della cella è principalmente materiale di carbonio.
- Condensatore a doppio strato elettrochimico o pseudo-condensatore: il supercondensatore sostiene una reazione faradica tra l'elettrodo e l'elettrolita in un intervallo di potenziale adeguato. In questo tipo di supercondensatore, il materiale dell'elettrodo è costituito da ossidi di metalli di transizione o da miscele di carbonio e ossidi di metalli/polimeri.
Un supercondensatore ha caratteristiche diverse rispetto a quelle di un condensatore standard, e alcuni punti meritano di essere notati:
- Tensione massima: la tensione massima è inferiore rispetto ai condensatori standard ed è spesso nell'intervallo di 2,5V. È possibile avere supercondensatori con tensioni più elevate, ma la durata può essere ridotta.
- La durata è limitata dal tasso di evaporazione dell'elettrolita liquido. Questa evaporazione è una funzione della temperatura, del carico di corrente, della frequenza del ciclo di corrente e della tensione. Come mostrato di seguito, la durata può variare da un anno a più di 10 anni, a seconda di come viene utilizzato.
- Per ottenere tensioni di funzionamento più elevate per i supercondensatori, è possibile collegarli in serie, noto anche come stack.
- Autoscarica: l'energia immagazzinata può diminuire del 50% in un mese. Ciò significa che il supercondensatore deve essere ricaricato regolarmente anche se non ha effettuato alcun backup.
Dimensionamento di un supercondensatore e vantaggi unici
Ora che abbiamo esaminato cosa sia un supercondensatore (supercap) e come sia costruito, esploriamo l’idea di utilizzarlo come sostituto per le applicazioni standard delle batterie. Come possiamo dimensionarli per confrontare i loro tempi di funzionamento rispetto alle loro caratteristiche uniche e quali punti di forza distintivi possiedono? Una cosa da tenere a mente mentre analizziamo la capacità energetica di un supercondensatore è che esiste una grande differenza tra la capacità energetica massima e la capacità energetica effettiva. La differenza tra energia effettiva e massima è determinata da quanto basso sia il voltaggio utilizzabile dal sistema e dal design del supercondensatore, che stabilisce il suo voltaggio minimo. I supercondensatori non si scaricano come le batterie, nel senso che forniscono un voltaggio relativamente stabile mentre la capacità diminuisce. In una batteria al litio, puoi aspettarti circa 3,7 volt su un ampio intervallo della capacità della batteria, ma con un supercondensatore vedrai il voltaggio diminuire rapidamente man mano che l’energia si scarica. A volte questa diminuzione di voltaggio può apparire quasi lineare nel tempo, quando la corrente in uscita viene mantenuta costante. Tenendo presente il calo di voltaggio, la capacità energetica massima si trova usando la formula Wmax = ½ * Ctotal * V2loaded * 1/3600 dove W rappresenta i watt immagazzinati, C è la capacità totale del supercondensatore, e V è il voltaggio del supercondensatore quando è completamente carico. Tuttavia, questo metodo per misurare la capacità può essere fuorviante, come notato sopra, poiché l’energia effettiva del supercondensatore deve essere misurata tenendo conto del voltaggio minimo del sistema. Per misurare la capacità energetica effettiva, usiamo la formula Weff = ½ * Ctotal * (V2max - V2min) * 1/3600.
Here is a little example using an obscenely large super capacitor. I picked the 3000F Eaton Powerstor XL60 to demonstrate what happens as I increase the minimum system voltage and how much useful capacity we lose. And yes, that really is 3000 Farads in a single supercap, it wasn’t a typo.
Se la progettazione del sistema che utilizza questo supercondensatore può supportare solo un ingresso minimo di 1,6V, allora si perde 1/3 dell'energia potenziale immagazzinata nel supercondensatore. L'impatto di questa perdita può essere considerato durante la progettazione di uno stadio di ingresso di alimentazione con un circuito di boost a tensione di ingresso più ampia, ma è necessario riconoscere le limitazioni in anticipo. Inoltre, quando si diminuisce la tensione in uscita dal supercondensatore, è necessario aumentare la corrente in uscita per mantenere una potenza costante, sottoponendo maggiormente a stress gli elementi del circuito.
La capacità energetica potrebbe deludere un po', ma il supercondensatore riesce comunque a brillare per densità di potenza, il che significa che può gestire correnti di picco molto elevate. La capacità di gestire carichi di corrente di picco è una caratteristica della componente condensatore del supercondensatore. Questa capacità è uno dei motivi per cui i supercondensatori hanno trovato un utilizzo negli utensili a batteria senza fili, fornendo un buffer per i picchi di corrente elevati, contribuendo a inserire quell’ultima vite al suo posto o a garantire la giusta coppia su una lama per un taglio forte e pulito. Dall'esempio sopra, possiamo osservare lo stesso Eaton XL60. Una volta analizzato il datasheet, si può notare che gestisce 140A di uscita continua, ma ciò che colpisce davvero è la valutazione di corrente di picco di 2400A. La capacità di gestione della corrente è ciò che distingue realmente i supercondensatori dalle batterie al litio. Anche supercondensatori più piccoli, come il JUMT1106MHD di Nichicon (che offre una capacità di 10F), possono gestire fino a 5A di corrente di picco, e possiedono persino una certificazione automobilistica per un intervallo di temperature più ampio.
Un altro punto di forza dei supercondensatori rispetto alle batterie è la diminuzione della capacità. Durante i cicli delle celle al litio, queste subiscono usura e perdono capacità nel tempo, portando a una riduzione della loro vita utile – spesso sono valutate per 300-500 cicli. I supercondensatori non risentono con la stessa intensità degli effetti del ciclo e, per il precedente Eaton XL60, la perdita è inferiore al 20% della capacità dopo 1.000.000 di cicli. Oltre a questa eccellente prestazione nei cicli, i supercondensatori generalmente offrono anche intervalli di temperatura operativa più ampi. I supercondensatori trovano il loro posto nei moderni sistemi elettronici, specialmente se il loro carico viene ciclicato frequentemente o se è necessario gestire correnti di grande intensità. Vale sicuramente la pena considerarli come un'aggiunta ai sistemi a batterie tradizionali e, in alcuni casi, addirittura come una sostituzione completa.
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