Je to kondenzátor, ale nechová se jako kondenzátor. Funguje to jako akumulátor, ale není to akumulátor. Co to je? Hybridní kondenzátor.
Porovnáme-li základní vlastnosti a možnosti užití kondenzátorů (superkondenzátorů) a akumulátorů, jsou odlišnosti zřejmé. Kondenzátory jsou schopné mnohem rychlejšího nabíjení i vybíjení, mohou dodávat podstatně vyšší proud i výkon, ale uchovaná energie je mnohem menší. Akumulátory vedou pokud jde o hustotu energie obsažené v daném objemu nebo při dané hmotnosti. Podobné rozlišení se týká klasických kondenzátorů (EDLC) pracujících na principu přímého uložení náboje na velkém aktivním povrchu vnitřní struktury a akumulátorů pracujících na principu elektrochemických reakcí.
Hybridní kondenzátory kombinují v sobě oba principy tak, aby potlačily nevýhody a dosáhly kompromisu. Poskytují vyšší hustotu energie než kondenzátory (ale nižší, než akumulátory) a jsou schopné poskytovat vyšší proud (přinejmenším pulzně) než podobné akumulátory (ale nižší, než kondenzátory). Konkrétní typ, na němž si vlastnosti ukážeme, bude kondenzátor od firmy Vishay z řady 196 HVC ENYCAP ze sortimentu RS Components.
Porovnání hybridního kondenzátoru 90F/2,8V a 100F/2,7V
Kondenzátor má základní mezní napětí pro jeden článek 1,4 V s možností občasného mžikového zvýšení až na 1,6 V. Dodávají se sady s jedním až šesti články spojenými sériově, v našem případě budeme zkoušet na dvoučlánkové sadě 90 F / 2,8 V, která se kusově prodává za 306 Kč. Při sériovém spojení není podle firemních údajů nutné balancování napětí, to je první výhoda a odlišnost proti kondenzátorům EDLC. Další odlišností je minimální přípustné napětí jednoho článku, které je 0,8 V. Ačkoli jde o kondenzátor, nesmí se vybít do nuly, v tomto (a mnohém jiném) se více podobá akumulátorům. Uvedené údaje nelze ovšem zevšeobecnit na všechny hybridní kondenzátory, třeba ty založené na technologii lithiových akumulátorů mají jiné (vyšší) meze napětí.
Určení kapacity je v případě hybridních kondenzátorů problematické. U EDLC kondenzátorů v podstatě nezáleží na tom, v jakém rozsahu napětí (v rámci pracovních hodnot) budeme měřit, kapacita odpovídá vzorci C = Δt * ΔU / I [F, s , V, A ], měří se při vybíjení (nebo nabíjení) konstantním proudem a průběh změny napětí je lineární. To v případě hybridních kondenzátorů neplatí, jejich nabíjení i vybíjení odpovídá akumulátorům, průběh (pro čtyřčlánek) je na následujícím obrázku. Podle katalogových údajů se kapacita měří v rozmezí napětí 2,7 až 1,9 V, výrobní tolerance kapacity je -20 až +80%.
Nabíjecí a vybíjecí charakteristika
Při ověřování kapacity je kvůli silně nelineární charakteristice kriticky důležité dodržet udané meze napětí. Měřením vyšla kapacita 158 F, tedy v toleranci těsně pod horní mezí. Pro zajímavost, kapacita změřená stejným způsobem při mezích napětí 2,54 až 2,46 V (blízko inflexního bodu vybíjecí charakteristiky), vyjde vyšší než 1400 F.
Z uvedeného je vidět, že lepší vypovídací hodnotu než údaj ve faradech má stejně jako u akumulátorů, kde se předpokládá relativně malá změna napětí v průběhu vybíjení, údaj v Ah nebo Wh. V daném případě v rozmezí 2,7 V (téměř plné nabití) po 1,9 V (provozní vybití při rezervě 0,15 V / článek) vychází kapacita 79 mAh. Je zajímavé, že během čerpání přibližně 40% této kapacity se napětí nemění o víc než 40 mV / článek. Katalogový údaj uvádí minimální využitelnou energii 230 Ws a hustotu energie 9 až 13 Ws/g podle typu pouzdra, které ovlivňuje hmotnost.
Udávaný vnitřní odpor (respektive ESR) 30 mΩ při 1 kHz nebo 90 mΩ (DC) je horší, než by se dalo čekat u kondenzátoru, ale lepší, než je běžné u akumulátoru podobné velikosti. Odpor je dost závislý na tom, v které oblasti nabití jej měříme. Blízko napětí 2,5 V / článek vycházelo měření ESRDC 50 mΩ, tedy přibližně polovina deklarovaného údaje.
Katalog připouští nabíjení proudem až 1,5 A vybíjení proudem až 3 A, ovšem typickou aplikací těchto článků je zajištění záložního napájení pro paměťové obvody, SSD disky a podobně, kdy se vyžaduje spíše funkce s menším proudem po dobu několika hodin, a nepředpokládá se ani použití měniče napětí.
Co se týká životnosti, tu samozřejmě nebylo možné ověřit, údaje výrobce odpovídají spíše kondenzátorům EDLC. Životnost při maximální teplotě 85°C (a napětí 1,4 V / článek) má být 1000 hodin, při 70°C kolem 2800 hodin a při 60°C asi 5600 hodin. Vzhledem k tomu, že při teplotách nad bodem mrazu lze změny životnosti poměrně dobře směrem dolů extrapolovat, při teplotě 20°C je možné odhadnout životnost na 90000 hodin, což je asi 10 roků nepřetržité funkce. Dobu lze dál prodloužit mírným snížením napětí. Výsledek koresponduje s životností kondenzátorů EDLC, počet cyklů se však neuvádí.
Kondenzátor v provedení ke „stojaté“ montáži
Možnosti aplikací těchto hybridních kondenzátorů jsou mnohem širší, než jen jako záložní zdroje pamětí, musíme s nimi ovšem zacházet spíš jako s akumulátory. Odpadá nutnost balancování, nicméně musí se hlídat mez vybití i zajistit, aby nebyly déle uloženy po vyčerpání energie.
Závěrem si dovolím srovnání tříčlánkového kondenzátoru 90 F (4,2 V, cca 80 mAh) s malým jednočlánkovým Li-pol akumulátorem 100 mAh, jaký se používá třeba v létajících modelech vrtulníčků i jiných hračkách. Rozměry i napětí jsou podobné, hmotnost vychází asi 3x lepší u akumulátoru. Přípustný nejvyšší proud akumulátoru je 200 mA při nabíjení (30 minut) a 2 A při vybíjení (3 minuty), u hybridního kondenzátoru je to 1,5 A (3 – 4 minuty) nabíjení a 3 A vybíjení (1,6 minuty). Rozdíl v době nabíjení je zřejmý, vybíjecí proud samozřejmě nemusí být využit až na mez. Životnost kondenzátoru je asi 5 až 10x vyšší, cena je zhruba 5x vyšší.
V této konkrétní aplikaci vrtulníčku asi zatím nebudou akumulátory vytlačeny ze svých pozic, protože záleží na hmotnosti, a naopak životnost se u hraček nevyužije, i když 10x rychlejší nabíjení by bylo jistě příjemné. K napájení měřicích přístrojů, drobnějších zařízení s větší plánovanou životností poháněných motory s odběrem do 1 A a podobně ale už vhodné jsou.