Разряд двойнослойного суперконденсатора ИКЭ

Исследован разряд суперконденсатора ИКЭ производства фирмы «Супер Эконд» (электрохимический двойнослойный с угольными поляризуемыми электродами и щелочным электролитом, с рабочим напряжением 400 В и максимальной мощностью 12 кВт) в двух режимах работы испытательного зарядно-разрядного стенда:

1. непосредственно на постоянную резистивную нагрузку (обычный режим разрядки суперконденсатора);
2. разряд через специальное устройство – электронный сепаратор (ЭС), реализующее разработанный компанией» «СВЭЛ энержи» алгоритм снижения поляризационной составляющей внутреннего сопротивления химических источников тока.

Измерения производились с помощью цифрового двухканального осциллографа Tektronix TDS 1012B; выходной ток нагрузки определялся с помощью низкоомного шунта и прецизионного аналогового милливольтметра.

Предварительно в процессе зарядки суперконденсатора была определена его реальная ёмкость в рабочем «окне» напряжений 390–200 В (эта величина использовалась при расчёте средней мощности разряда). Она оказалась равной 0.69 Ф (0.72 Ф в окне напряжений 390–112 В), что существенно ниже заявленной производителем величины 0.8 Ф.

На рис.1 представлена осциллограмма разряда суперконденсатора при выходном напряжении электронного сепаратора, равном 202 В и постоянной выходной мощности 4.07 кВт (с учётом кпд испытательного стенда); на рис. 2 представлен разряд суперконденсатора непосредственно на омическую нагрузку 33.3 Ом (35.6 Ом, с учётом коммутационных потерь).

Как хорошо видно из сравнения рис.1 и рис.2, при сопоставимых мгновенных мощностях нагрузки (4.07 кВт и 3.91 кВт, соответственно) величина начального падения напряжения в случае использования электронного сепаратора оказывается намного меньше, чем при разряде конденсатора без сепаратора (8 В и 20 В, соответственно). Это указывает на значительное снижение поляризационной составляющей внутреннего сопротивления суперконденсатора при его разряде через электронный сепаратор. Следовательно, в режиме с постоянной мощностью нагрузки эффективность использования суперконденсатора при его разряде через сепаратор существенно возрастает. Данный эффект в наибольшей степени проявляется по мере возрастания мощности и тока нагрузки – чем они выше, тем заметнее разница в начальном «провале» напряжения на суперконденсаторе при разряде через ЭС и без него. По нашим оценкам, при максимальной для данного суперконденсатора мощности нагрузки выигрыш от использования электронного сепаратора может составить до 40%.

Нами также были проведены сравнительные испытания по разрядке суперконденсатора в режиме малой мощности (~1150–1200 Вт) через электронный сепаратор и без него. Измерения производились по схеме (cхема измерений), с тем лишь отличием, что вместо USB-мультиметра был использован цифровой двухканальный осциллограф Tektronix TDS 1012B (в режиме самописца). Стабилизированное напряжение на выходе ЭС равнялось 111 В, постоянная мощность, отдаваемая в нагрузку – 1147 Вт, время удержания постоянной выходной мощности при разрядке составило 39.2 секунды.

При разрядке суперконденсатора непосредственно на нагрузку (подобранную так, чтобы обеспечить примерно такую же среднюю мощность разрядки, как и при использовании ЭС) рассчитанная по результатам измерений средняя мощность составила 1.158 кВт, а энергия, снимаемая с суперконденсатора при разрядке до напряжения 112 В – 45 кДж.

Таким образом, энергия, снимаемая с суперконденсатора при его обычном разряде, оказалась равна энергии, отдаваемой в нагрузку при разряде через ЭС. Между тем, кпд испытательного стенда в данных условиях не превышает 90-91%. То есть, при разрядке через ЭС с суперконденсатора снимается на 10% больше энергии. Как указывалось выше, с увеличением снимаемой мощности эффективность ЭС возрастает и в пределе может достигать 40% и более.