Před několika měsíci jsem zde uveřejnil článek s popisem základních vlastností a aplikací superkondenzátorů. Nyní bych na něj chtěl navázat a v několika volných pokračováních se soustředit postupně na konkrétní zkušenosti s výběrem těchto součástek, jejich měření, aplikace v malých mobilních zařízeních a elektroniku potřebnou k provozu.
V úvodu se pokusím shrnout základní vlastnosti superkondenzátorů ve srovnání s nejlepšími běžně používanými Li-pol akumulátory.
Výhody:
- schopnost rychle se nabít velkým proudem (za jednotky sekund proti desítkám minut)
- schopnost rychle se vybít velkým proudem (za jednotky sekund proti minutám)
- životnost v milionech úplných cyklů a desítkách roků (100 – 1000x více cyklů než Li-pol)
- okamžitý přechod z nabíjení do vybíjení a opačně, jediný plně použitelný rezervoár energie při rekuperaci v krátkých cyklech
- bezkonkurenční poměr výkon/objem i výkon/hmotnost, bohužel ale množství uložené energie není velké (dodají/pohltí obrovský výkon po krátkou dobu)
- nepatrná změna funkčnosti při změnách teploty od -40ºC do +50ºC
- při přepočtu podle výměny energie v průběhu životnosti velmi nízká cena
- žádné toxické materiály nebo jen stopové minimum, dostupné suroviny (hlavně hliník, uhlík)
Nevýhody:
- při dané hmotnosti nebo objemu zatím menší množství uložené energie (typicky 10x, nejnovější vyvinuté dosud nevyráběné typy 2x)
- větší ztráty energie v čase (kondenzátor drží energii hodiny až dny, akumulátor měsíce)
- velká proměnlivost napětí při nabíjení a vybíjení, složitější obslužná elektronika
- vyšší pořizovací (jednorázové) náklady (do značné míry otázka hromadnosti výroby a licencí)
Pokud je alespoň jedna z uvedených výhod pro dané zařízení kriticky důležitá, má smysl začít uvažovat o superkondenzátorech. Nemusí jít hned o to nahradit zcela akumulátory, ale zkombinovat vlastnosti obou zdrojů a vytěžit z obou jejich přednosti. I když ani úplná náhrada akumulátorů není vyloučená. Uvedu příklad, a nejde přitom o zrovna malé zařízení.
Autobusy se superkondenzátory (propagační foto Research India Pvt. Ltd)
V Šanghaji jezdí od roku 2006 autobusy Ultracap Bus firmy Sinautec. Jejich kondenzátory uloží 5,9 kWh energie a dovolí nezávislý dojezd 6 km s klimatizací nebo 10 km bez zapnutí klimatizace. Zoufale málo proti standardu elektromobilů s akumulátory, ale ono to pro tento účel stačí! Superkondenzátory se dobíjejí po dobu 30 s v zastávkách a 5 minut na konečných stanicích pomocí střešního sběrače (jako trolejbus) z krátké troleje přibližně tak dlouhé, jako je autobus. Nabíjecí stanice poskytují 600 V / 200 A. Toto je typická aplikace využívající výhodně kondenzátory, často a rychle se nabíjí, často a rychle se vybíjí, stačí relativně malá kapacita, životnost je stejná nebo větší než životnost celého elektroautobusu, pravidelná výměna se na rozdíl od akumulátorů nemusí uvažovat.
Druhý příklad. Americká firma Maxwell dodává na trh startovací kapacitní bloky pro těžké trucky (nákladní auta). Uplatní se zejména v arktických podmínkách. První nabití (z nuly) z akumulátoru trvá přes 30 minut, z provozně vybitého stavu (napětí 10 V) se nabíjí proudem 25 A z akumulátoru nebo pomocného alternátoru na napětí až 16 V nejvýše 15 minut. Během spouštění motoru (obvykle mnohalitrový dieselový dvanáctiválec) dodává blok superkondenzátorů stabilně proud až 1800 A. Motory i při -40ºC točí a chytají okamžitě. Uvnitř jednotky je 12 ks kondenzátorů 3400 F / 2,85 V a obslužná elektronika. Kondenzátory se (relativně) malým proudem a pomalu nabijí, energii vydají během sekund, naprosto jim nevadí mráz.
Startovací kondenzátor pro americké trucky
Novější 48 V startovací blok 165 F pro hybridní auta, startování železničních lokomotiv, průmyslová zařízení a záložní zdroje (obsahuje i veškerou nutnou elektroniku)
Náhradu autoakumulátoru kondenzátorem lze uskutečnit i v osobním autě, jen je to dražší, než standardní olověný akumulátor. Použít se na to dá s velkou rezervou sada, která je na následující fotografii. Jistě není bez zajímavosti, že videa na Youtube od majitelů, kteří ze svého auta odstranili akumulátor a místo něj dali kondenzátor, pocházejí především ze severských oblastí USA a z Ruska.
Sada kondenzátorů Maxwell 3 kF / 2,7 V (výsledný složený kondenzátor 500 F / 16 V)
Když si budete chtít superkonedenzátory vyzkoušet, asi napoprvé nesáhnete po špičkových výrobcích (za cenu přiměřenou kvalitě), které se používají v profesionálních aplikacích, ale budete hledat něco levného nebo s optimálním poměrem ceny a výkonu. Postupoval jsem stejně a napálil jsem se. Obstaral jsem kondenzátory 500 F / 2,7 V korejské firmy Samwha. Šest kusů stojí nyní na aliexpress ani ne 30 USD včetně poštovného, lepší poměr se těžko najde. Parametry slibovaly i slušný výkon (15 mΩ vnitřního odporu, 10 A provozní proud), šest kusů dá dohromady zdroj, který se dá nabít na 16V.
Kondenzátory Samwha 500 F (po třech spojené lepicí páskou, každý samostatný konektor)
První dojem byl vynikající. Teprve v okamžiku, když superkondenzátor připojíte na laboratorní zdroj, nastavíte napětí 2,7 V a omezení proudu třeba na 10 A, pak vše spustíte, tak přes všechny znalosti a výpočty podvědomě čekáte, že se svižně nabije. Je to přece pouhý kondenzátor. Místo toho zavrčí trafo, rozhučí se chladicí ventilátory v plných otáčkách, a napětí začne stoupat. Ne po celých voltech, ne po desetinách, ale hodně pomalu a váhavě po setinách voltu. Právě v takovém okamžiku si doopravdy uvědomíte, co to vlastně držíte v ruce, co prakticky znamená kapacita ve stovkách nebo tisících faradů. Tohle sice je kondenzátor, ale chová se naprosto jinak, než jste zatím byli zvyklí. Rozdíl v kapacitě proti klasickým „velkým“ 5 mF kondenzátorům do zesilovačů je 5 řádů (tj. 100000x). Jestli vám to pořád nic neříká, tak si představte svoje možnosti, když vstoupíte do obchodu a máte v kapse 1Kč nebo 100000Kč. Stačí?
Model jachty (70 cm) poháněné superkondenzátory
Tyto kondenzátory Samwha 500 F jsem měl při prvních praktických pokusech v modelu jachty Lacaille (cca 70 cm délky). Všechny kondenzátory měly svůj konektor, při nabíjení vně lodě jsem je spojil paralelně a nabíjel na společné napětí 2,6 V. K tomu mi posloužil modelářský nabíječ iCharger 208B nastavený do režimu NiCd a na proud 20 A. Napětí jsem hlídal sám podle multimetru a nabíjení ukončil ručně. To bylo poněkud nebezpečné, při překročení napětí by se kondenzátory zničily, ale byly to první pokusy, nic víc.
Improvizované nabíjecí stanoviště
Po nabití se paralelně spojené kondenzátory rozpojily a v lodi sestavily do sady jinak, sériově. Společně daly 15,6V. Mezi kondenzátory a motorem byl spínaný snižující nastavitelný měnič koupený z Číny asi za 3 USD včetně dopravy, napětím jsem nastavil přiměřený chod motoru. Protože jsem nevěděl, jak dlouho pohon poběží, a bylo jasné, že díky měniči bude napětí stálé a nebude poklesem rychlosti varovat před vyčerpáním, uvázal jsem loď za záď na provázek, spustil motor v lodi na vodě i stopky a čekal.
Nastavitelný měnič napětí 3 – 35 V na 1 až 35 V / 2 A (tento umí zvyšovat i snižovat napětí)
Výsledek předčil očekávání. Při mírné jízdě jela loď konstantní rychlostí nepřetržitě skoro 35 minut! Když jsem později nastavil vyšší rychlost, stále ještě zvládla 16 minut. Samozřejmě nejela zrovna jako závodní člun v kluzu, ale obecně by mohla, jen by to trvalo přiměřeně kratší dobu. Nabití zdrojů po jízdě trvalo 6,5 minuty, ale to je jen kvůli velmi nevhodnému improvizovanému postupu s přepínáním paralelního a sériového zapojení, později jsem stejné kondenzátory nabíjel za jednu minutu a kvalitnější za 15 sekund. Poměr doby nabíjení a funkce 1:32 není myslím špatný.
Zatím není zřejmé, proč jsem uvedl, že jsem se s těmito kondenzátory napálil, i když výsledky byly tak dobré. Jak moc se kondenzátory Samwha „rozjíždějí“ se ukázalo zanedloho, když jsem spojil kondenzátory k nabíjení až druhý den po jízdě. Z kabelů se zakouřilo a bleskově přehořely. Měřením jsem pak zjistil, že jeden z kondenzátorů ztrácí skoro všechnu energii samovybíjením během necelého jednoho dne, další dva asi tak za tři dny a zbylé tak jak to má být mnohem pomaleji. V kapacitě byly také velké rozdíly, neměly udávaných 500 F, ale od 339 F do 436 F (odchylka od -13 do -32%). Hodnoty byly zcela mimo výrobní tolerance, přesto že to nikde nebylo uvedeno. Asi proto byly tak levné. Na to, jaké skutečně byly, byly drahé až moc. Já jsem k nim přistupoval od počátku tak, že jsem určité rozdíly předpokládal, ale jakmile máte spojit kondenzátory sériově do sady, musí mít mnohem lepší shodu. Z uvedené šestice by možná šly do jedné sady použít dva, a to je zjevně výsledek katastrofání.
Maxwell D-Cell 350 F / 2,7 V
Jako další jsem už objednával „na jistotu“ přes ebay výrobky renomované firmy Maxwell, a to kondenzátory D-Cell (velikost velkého monočlánku) s udávanou kapacitou 350 F. Dle uváděných parametrů měly mít vnitřní odpor nejvýše 3,2 mΩ, povolený krátkodobý pracovní proud 220 A / 1 s, maximální výkon (jednoho kusu) přes 900 W (ovšem při nízkém napětí a brutálním proudu). A jako první šly všechny kondenzátory na měření.
Všech 11 kusů, které jsem měl k dispozici, mělo parametry téměř dokonale shodné. Průměrná ztráta energie za 48 hodin od nabití byla necelých 14%, ale rozdíly v napětí se vešly do tolerance pouhých ±7 mV. Kapacita byla doslova šokující, všechny kusy měly víc než udává výrobce, nejslabší 354 F (+1,1%), nejsilnější 362 F (+3,4%). Kdyby se vynechal z hodnocení jediný „ujetý“ kus, vešly by se rozdíly ostatních dokonce do tolerance ±1,2%. Takové tolerance nenajde běžně ani mezi „měřicími“ kondenzátory. Z těchto kondenzátorů šlo sestavit sadu libovolně náhodně i bez měření. A to je ten rozdíl!
Ono tak moc nezáleží na tom, jestli jsou parametry trochu lepší nebo horší, hlavně když jsou v sadě stejné, vybíjejí a nabíjejí se stejně. Je to totéž jako s Li-pol, jenomže je to důležitější, protože v Li-pol vždy necháváme poměrně dost energie nevyužité, zatímco kondenzátory lze vybíjet skoro do nuly. Součet nula ovšem může znamenat, že jeden v sadě má napětí 0,3 V a druhý -0,3 V, a to je špatně, to už se ničí. Ochranné diody na kondenzátorech moc nepomohou, protože problém je už s přepólovaným napětím, při němž se ještě diody neotevřou a nic neochrání! I sada složená z kvalitních součástek potřebuje balancer a hlídat maximální i minimální napětí.
Budete-li shánět superkondenzátory, vyhněte se podezřele levným nabídkám. To ale neznamená, že musíte kupovat draze, dostanou se třeba kvalitní kondenzátory vybrané z likvidovaných autorádií nebo bloky několika kusů na desce. Jsou levnější, použité, někdy i viditelně povrchově potlučené a poškrábané, ale mnohem lepší, než bezvadně vypadající výhodná nabídka „mimotoleranční Číny“.
Tento díl uzavřu popisem několika pokusů právě s kondenzátory Maxwell 350 F. I když mají jen zhruba desetinovou kapacitu, než výše zmíněné kondenzátory používané ke startování aut, nestačily by na totéž, když nejsme v arktických podmínách?
Spojená „startovací“sada kondenzátorů
Nejprve jsem nasnímal napětí na (starším) autoakumulátoru při pokusu o nastartování, který ale nemohl být úspěšný, protože bylo předem odpojeno zapalovací napětí od cívky na vstupu rozdělovače – to je bílá stopa na dalším obrázku. Schody na křivce na začátku jsou způsobeny postupným zapnutím klíčku do první a druhé polohy (palubní deska, ventilace, …), při zapnutí spouštěče napětí spadlo zhruba o 6,5 V proti klidovému. Zuby na křivce jsou přepínání vinutí spouštěče komutátorem *. Když už se točí, je odběr mnohem menší a pokles napětí se víceméně ustálí na 3 V.
* Poznámka: Podle upozornění jednoho z čtenářů má vznik „zubů“ na křivce jinou příčinu, a to proměnlivou zátěž v důsledku komprese jednotlivých válců.
Napětí na akumulátoru samostatně a s přidaným kondenzátorem
Žlutá křivka zachycuje totéž, ale k akumulátoru byl paralelně připojen blok kondenzátorů (sada 58 F / 16,2 V). Pokles při roztáčení spouštěče je výrazně menší, jen asi 4 V, „zuby“ při přepínání komutátoru jsou zhruba poloviční, subjektivně spouštěč točil mnohem živěji. Toto řešení by mělo praktický význam a podstatně usnadní startování zejméně v zimě. Ale zvládly by kondenzátory nahodit motor samy bez podpory akumulátoru? Zvládly to, motor (už s připojeným zapalováním) ihned naskočil a alternátor obnovil napětí na kondenzátorech asi za 5 sekund. Odběr při roztáčení spouštěče je přitom vyšší než 100 A.
Aby ale příklad opravdu ilustroval možnosti kondenzátorů, musí se doplnit ještě něco méně příjemného. Někdy nejde jen o schopnost dodat velký proud, ale také o výdrž. Moje kondenzátory 350 F „uživily“ zapnutá potkávací světla jen 15 s, výstražné blikání všemi blinkry asi 3 minuty, a to je moc málo! Samovybíjení a stálá připravenost auta k nastartování se dá zvládnout s malým solárním panelem pod zadním oknem, kondenzátor je mnohem lepší při startování za mrazu, ale nemá výdrž třeba v situaci, kdy je nezbytné v nouzi nechat rozsvícená polohová nebo výstražná světla delší dobu.
Spojení akumulátoru a kondenzátorů
Záměrně jsem zvolil příklad, kde jsou nároky na odběr energie výrazně větší, než v malé mobilní technice a robotice. Jak velká byla sada kondenzátorů můžete vidět o kousek výš na fotografii. Superkondenzátory nemusí akumulátory plně nahradit, ale mohou je perfektně doplnit a zlepšit funkci, a mohou také podnítit konstrukční změny (stačil by menší a lehčí akumulátor s vyšší životností, slabší kabely). A to už stojí za úvahu a platí to obecně pro zařízení všech velikostí, nejen pro auta.