SZEREGOWE ŁĄCZENIE SUPERKONDENSATORÓW
Wykonany projekt miał na celu realizację urządzenia zdolnego generować silne impulsy prądowe z baterii ośmiu połączonych szeregowo superkondensatorów. Impulsy te miały być wykorzystane do zgrzewania przecinania i elektrodrążenia metali. Samymi procesami elektroerozyjnej obróbki metalki zajmiemy się później a teraz przystąpimy do opisu technicznego projektu.
Aby wykorzystać możliwości, jakie niosą ze sobą superkondensatory, trzeba sprostać ich wymaganiom.
Jednym z głównych problemów, jaki napotka każdy, kto chce wykorzystać w swoim urządzeniu superkondensatory, jest ich ładowanie. Kondensatory wielkiej pojemności w stanie rozładowanym jako odbiornik stanowią praktycznie zwarcie dla obwodu zasilania. Dlatego też potrzebny jest układ ograniczający prąd ładowania tak, aby nie przekraczał on wartości bezpiecznej dla źródła zasilania. Ponadto bardzo ważne jest, aby w końcowej fazie ładowania superkondensatora nie przekroczyć dopuszczalnego maksymalnego napięcia tego kondensatora. Kolejnym problemem do rozwiązania jest równomierność ładowania baterii kondensatorów i rozkładu napięć na poszczególnych elementach.
Dla większości zastosowań jeden superkondensator ma za niskie napięcie i nie jest bardzo przydatny. Aby podnieść napięcie pracy trzeba połączyć wiele superkondensatorów szeregowo. Ponieważ istnieje różnica tolerancji pomiędzy poszczególnymi superkondensatorami w pojemności, rezystancji i prądzie upływu nastąpi nierównowaga napięć sekcyjnych stosie szeregowym. Ważne jest, aby zapewnić, żeby poszczególne napięcia każdego superkondensatora nie przekraczały maksymalnego napięcia pracy, gdyż może to doprowadzić do rozkładu elektrolitu, wytworzenie gazu, wzrost ESR, a w ostateczności żywotność zostanie zmniejszona.
Ten brak równowagi w początkowej fazie ładowania zdominowany jest przez różnicę między pojemnością poszczególnych kondensatorów tj. kondensatory o mniejszej pojemności będą ładować się do wyższego napięcia w połączeniu szeregowym. Na przykład, jeśli dwa kondensatory 10F są połączone szeregowo z czego jeden ma +20% nominalnej pojemności, a drugi -10%, to napięcia między kondensatorami można obliczyć ze wzoru:
Vcap1 = Vsupply x (Ccap1 / (Ccap1 + Ccap2)
Zakładając Vsupply = 5,4V
Vcap1 = 5,4 x (12 / (12 +9)) = 3,08V
Vcap2 = 5,4 – 3,08= 2,32V
Jak widać, system równoważenia komórek musi zostać umieszczony w połączeniu szeregowym w celu zapewnienia ażeby poszczególne napięcia składowe nie przekroczyły napięcia znamionowego superkondensatorów.
Gdy bateria superkondensatorów będzie ładowana przez dłuższy okres czasu to prąd upływu zacznie odgrywać coraz większą rolę (tj. kondensatory o wyższym prądzie upływu będą miały niższe napięcie rozdzielania napięcia w połączeniu szeregowym).
Istnieją dwa systemy równoważące do rozwiązania tego problemu oraz zapewniające odpowiednie wyważenie modułów.
Są to:
Metoda pasywna: Aby zrekompensować różnice pomiędzy superkondensatorami stosuje się połączone z nimi równolegle rezystory w każdym module baterii. To skutecznie zmniejsza zmienność równoważnej rezystancji równoległej między kondensatorami, która jest odpowiedzialna za prądu upływu. Na przykład, gdy kondensatory mają średni prąd upływu 10uA +/- 3uA, a przez jednoprocentowy opornik równoległy popłynie 100uA, to będzie to dobrym rozwiązaniem. Przy takim rezystorze równoległym do każdego kondensatora średni upływ prądu jest teraz 110uA +/- 4uA. Wprowadzenie tego rezystora zmniejszy zróżnicowanie prądu upływu z 30% do 3,6%.
Przez taką samą wartość rezystora równoległego przy wszystkich elementach stosu szeregowego, z kondensatora o wyższym napięciu, popłynie większy prąd. Rozładowanie przez równoległy rezystor będzie wyższe niż w kondensatorach z niższym napięciem. To pomoże zrównoważyć całkowity rozkład napięcia w całej serii kondensatorów.
Metoda pasywna równoważenia napięcia jest zalecana tylko dla aplikacji, które nie są regularnie ładowane i rozładowywane i tylko tam, gdzie toleruje się dodatkowe obciążenie prądowe wnoszone przez rezystory bocznikowe. Sugeruje się, aby rezystory bocznikowe dobrane były tak, aby dać dodatkowy przepływ prądu - co najmniej 10 razy większy od prądu upływu kondensatorów. Wyższy stosunek może być stosowany w celu szybszego zrównoważenia. Kompromis oparty jest na stosunku czasu ładowania do prądu upływu. Gdy bateria superkondensatorów pracuje w układzie statycznym, czas dojścia do równowagi nie stanowi problemu, kłopoty zaczynają się, gdy taka bateria jest cyklicznie ładowana i rozładowywana.
Aktywna kompensacja: Do zastosowań, gdzie następuje cykliczne ładowanie i rozładowywanie kondensatorów oraz tam, gdzie wymagany jest znacznie mniejszy prąd upływu w stanie ustalonym. Taka kompensacja wymaga większych prądów tylko wtedy, kiedy napięcie ogniwa jest niezrównoważone. Aktywny układ wymusza jednakowe napięcie na węzłach serii połączonych kondensatorów.
Oprócz zapewnienia dokładnego równoważenia napięcia, aktywne układy dają znacznie niższy poziom prądu w stanie naładowania, a jedynie wymagają większych prądów, gdy napięcie kondensatora wychodzi z równowagi. Te cechy sprawiają, że aktywne obwody kompensacji napięcia są idealne dla aplikacji częstego ładowania i rozładowania kondensatorów, jak również te, o ograniczonym źródle energii.
W naszym projekcie zastosowaliśmy produkowane i zalecane przez firmę Maxwell balansery aktywne, ich ogólne opisy znajdują się w dwóch dokumentach do pobrania: Dokument_1 i Dokument_2
Powyższe zdjęcie przedstawia płytkę balansera montowaną do pary kondensatorów połączonych szeregowo, sposób montażu układu do kondensatorów opisany jest w jednym z dokumentów zamieszczonych powyżej.
Po rozpoczęciu procesu ładowania, gdy na kondensatorach jest niewielkie napięcie płytki balanserów nie pracują. Gdy wartość napięcia na kondensatorze osiągnie 2,64V balanser rozpoczyna pracę i zapala się diodka LED od danego kondensatora a tranzystor wykonawczy robi się ciepły co znaczy, że układ zaczyna mostkować część prądu ładowania danego kondensatora w szeregu.
Ładując taką baterię kondensatorów z tego typu układami balansującymi możemy się przekonać, że to co wcześniej napisaliśmy na temat nierównomiernego ładowania jest prawdą bo diody nie zapaliły się jednocześnie. Zapalały się po kolei w różnej kolejności z bardzo różnymi odstępami czasu co wybitnie świadczy o tym, że jedne wcześniej a inne później osiągnęły swoje graniczne napięcia. Nie zastosowanie układów balansujących w tego typu bateriach mogło by nie tylko wpłynąć na znacznie szybsze niszczenie kondensatorów i utratę ich sprawności ale także groziło by wybuchem.
Po naładowaniu naszej baterii kondensatorów do napięcia maksymalnego czyli 10,8 V i odłączeniu ładowania diody na balanserach nadal świeciły jeszcze przez jakiś czas ale tranzystory już się nie nagrzewały więc sygnalizują one nie tylko balansowanie prądów ale także stan pełnego naładowania kondensatora.
