スーパーキャパシタ 現代の電子システムでは、特に頻繁に充電サイクルを行う場合や、非常に大きな電流負荷を流す必要がある場合に、その役割を担っています。
コンデンサ ほとんどの設計ではノイズをフィルタリングしたり、 発振器。これらのコンデンサの場合、大きい値はマイクロファラッドで表され、小さい値はピコファラッドで表されます。スーパーキャップの単位はファラドの範囲です。大容量のため、数時間のバックアップが必要な場合でもバッテリーに匹敵します。また、バッテリーと連動して短時間に高レベルの電力を供給することもできます。高電流能力を備えているため、ハイブリッド車のブレーキやエネルギー回収システムなどのエネルギー収集アプリケーションにも使用できます。
高い価値に到達するためには、 スーパーキャパシタ 標準的なコンデンサで使用される技術は使用できません。
スーパーキャパシタ技術にはいくつかの種類がありますが、最も広く採用されているのは 二重層コンデンサ。内部の有機電解質は製造が容易で、例えばリチウムイオン電池よりも安全です。
スーパーキャパシタの構造は、2つのコンデンサを直列に接続したようなものです。コレクター（２）の間に挟まれた２つの電極（３）は、イオン透過性膜（６）によって分離されており、電解質（５）が両方の電極を接続している。印加電圧（1）によって電極が分極されると、電解質中のイオンは電極の極性とは反対の極性の電気二重層（4）を形成します。このメカニズムが二重層コンデンサの名前の由来です。
2つの電荷層間の距離を極めて小さくすることが可能であり、非常に高い静電容量レベルを実現できます。
異なる電荷蓄積メカニズムにより、二重層コンデンサには2つのタイプがあります。
- 電気二重層コンデンサ: EDLCは、電極/電解質界面の二重層にエネルギーを蓄えます。このタイプのコンデンサでは、セルの構築に使用される電極材料は主に炭素材料である。
- 電気化学二重層コンデンサまたは疑似コンデンサ: スーパーコンデンサは、適切な電位ウィンドウ内で電極と電解質間のファラデー反応を維持します。このタイプのスーパーキャパシタでは、電極材料は遷移金属酸化物または炭素と金属の酸化物/ポリマーの混合物で構成されています。
スーパーキャップは標準的なコンデンサとは異なる特性があり、注目すべき点がいくつかあります。
- 最大電圧: 最大電圧は標準コンデンサよりも低く、多くの場合2.5Vの範囲です。より高い電圧のスーパーキャップを使用することは可能ですが、寿命が短くなる可能性があります。
- 寿命は液体電解質の蒸発速度によって制限されます。この蒸発は、温度、電流負荷、電流サイクル周波数、および電圧の関数です。以下のように、使用方法に応じて、寿命は1年から10年以上になります。
- スーパーキャパシタのより高い動作電圧を実現するために、スーパーキャパシタを直列（スタックとも呼ばれます）に配置することができます。
- 自己放電: 蓄えられたエネルギーは1か月で50% 減少する可能性があります。つまり、たとえバックアップを作成したとしても、スーパーキャップは定期的に充電する必要があるということです。
スーパーキャップとは何か、どのように構築されるかを見てきましたので、次に、スーパーキャップを標準バッテリー アプリケーションの代替として使用するアイデアを検討してみましょう。それぞれの実行時間とそれぞれの固有の特性を比較するには、どのようにサイズを設定すればよいでしょうか。また、それぞれの固有の強みは何でしょうか。
スーパーキャパシタのエネルギー容量を見るときに留意すべき点の1つは、最大エネルギー容量と有効エネルギー容量の間には大きな差があるということです。有効エネルギーと最大エネルギーの差は、システムが利用できる低電圧と、最小電圧を決定するスーパーキャパシタの設計によって決まります。スーパーキャパシタは、容量が減っても比較的安定した電圧出力が得られるという意味で、バッテリーのように減ることはありません。リチウムイオン電池では、電池容量の広い範囲にわたって3.7ボルト近くになることが期待できますが、スーパーキャパシタでは、エネルギーが消耗するにつれて電圧が急速に低下します。電流出力が一定に保たれている場合、この電圧降下は時間の経過とともにほぼ直線的になることがあります。
電圧降下を考慮すると、最大エネルギー容量は次の式を使用して求められます。 Wmax = ½ * Ctotal * V2loaded * 1/3600 ここで、Wは蓄積されたワット、Cはスーパーキャップの総静電容量、Vは完全に充電されたときのスーパーキャップの電圧です。ただし、上で述べたように、スーパーキャップの有効エネルギーはシステムの最小電圧を基準にして測定する必要があるため、この容量測定方法は誤解を招く可能性があります。有効エネルギー容量を測定するには、式 Weff = ½ * Ctotal * (V2max - V2min) * 1/3600を使用します。
非常に大きなスーパーコンデンサを使用した小さな例を示します。最小システム電圧を上げると何が起こるか、また有効容量がどれだけ失われるかを示すために、 3000F Eaton Powerstor XL60 を選択しました。はい、これは本当に1つのスーパーキャパシタで3000ファラッドであり、タイプミスではありません。
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このスーパーキャップを使用したシステム設計が1.6Vの最小入力しかサポートできない場合、スーパーキャップ内に蓄えられた潜在的エネルギーの1/3が失われます。より広い入力電圧ブースト回路を備えた電源入力段を設計する際には、この影響を考慮することができますが、事前に制限を認識しておく必要があります。また、スーパーキャップからの電圧を下げると、一定の電力出力を維持するために電流出力を増やす必要があり、回路要素にさらに負担がかかります。
エネルギー容量はやや期待外れかもしれませんが、スーパーキャップは電力密度の点で優れており、非常に大きなサージ電流を処理できます。ピーク電流負荷を処理する能力は、スーパーキャップのコンデンサ部分の一部です。この能力は、スーパーキャパシタがバッテリー駆動のコードレス工具に採用されている理由の1つです。スーパーキャパシタは、高電流サージに対するバッファーを提供し、最後のネジを締める電力を供給したり、刃に十分なトルクを与えて強力かつきれいな切断を実現したりします。
上記の例から、同じ Eaton XL60を見てみましょう。データシートをよく見ると、140Aの連続出力を処理できることがわかりますが、本当に驚くべきは2400Aのピーク電流定格です。スーパーキャパシタとリチウムイオン電池を本当に区別するのは、電流処理です。さらに小型のスーパーキャパシター、例えば JUMT1106MHD から ニチコン (10Fまで対応) は最大5Aのピーク電流を処理でき、さらに広い温度範囲に対応する自動車定格も備えています。
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スーパーキャップがバッテリーより優れているもう一つの強みは、容量の低下です。リチウムイオン電池は繰り返し使用すると摩耗し、時間の経過とともに容量が低下し、耐用年数が短くなります。多くの場合、定格寿命は300 ～ 500サイクルです。スーパーキャパシタは、同じサイクルの影響をそれほど受けず、以前のEaton XL60の場合、サイクル後に失われる容量は20% 未満です。この優れたサイクル性能に加えて、スーパーキャパシタでは一般的に、より広い有効温度範囲も見られます。
スーパーキャパシタ 現代の電子システムでは、特に頻繁に充電サイクルを行う場合や、非常に大きな電流負荷を流す必要がある場合に、その役割を担っています。通常のバッテリー システムへの追加として、また場合によっては完全な代替品として検討してください。