Ultrakapacitory a jejich uplatnění v sekundárních zdrojích elektrické energie

K poměrně často probíraným otázkám současnosti patří nejen způsob výroby elektrické energie, ale také její efektivní způsob uchování. Vychází to především z rapidního rozvoje elektronických systémů, u kterých napájení z elektrických zásuvek či jiných primárních zdrojů nepřichází v úvahu. Tyto systémy se většinou dělí do třech základních skupin: na přenosné (mobilní telefony, multimediální přístroje, elektronářadí atd.), mobilní (hybridní automobily, elektromobily atd.) a záložní (např. záložní zdroje). Jedinými zdroji elektrické energie, které lze pro napájení všech uvedených strojů v současnosti použít, jsou sekundární elektrochemické články, tzv. akumulátory. Již více než 150 let, tedy od jejich prvního nasazení, si akumulátory stále drží první místo na poli sekundárních zdrojů elektrické energie. Jejich princip činnosti se za celý dlouhý čas nijak výrazně nezměnil, zato však došlo k mnohým vylepšením jejich elektrických a konstrukčních vlastností. Vpodstatě každá významná etapa vývoje sekundárních článků byla poznamenána vznikem nového typu akumulátoru. To vysvětluje existenci tak široké škály různých typů akumulátorů, které se liší materiálem elektrod, chemickým složením, konstrukčním provedením, a hlavně provozními vlastnostmi. Mezi nejpoužívanější akumulátory v dnešní době patří olověné (PbA), niklkadmiové (NiCd), nikl-metal-hydridové (NiMH) a vývojově poslední lithium- iontové (Li-ion) nebo lithiumpolymerové (Li-pol). Vzájemné porovnání akumulátorů z hlediska závislosti energetické hustoty na specifickém výkonu je znázorněno na přiloženém obrázku. Součástí srovnávacího grafu jsou i jiné typy, či dokonce alternativy sekundárních zdrojů elektrické energie, které svými parametry řádově převyšují dnešní akumulátory. Pojem dynamika výstupního výkonu akumulátoru byl zvolen proto, že nejlépe vystihuje podstatu zmíněného problému. Ve skutečnosti nejde o nic jiného než o specifický výkon akumulátoru, který udává jeho maximální výkonové zatížení vztahující se k jeho hmotnosti. Nízká dynamika výstupního výkonu se tedy jeví jako kolísání svorkového napětí článku v závislosti na intenzitě jeho zatížení. Stárnutím článku dochází ještě k dalšímu poklesu dynamiky, což může vést až k jeho předčasnému vyřazení z provozu. V praxi se tento problém často řeší předimenzováním napájecího zdroje, čímž ale narůstá hmotnost, a také celková cena zařízení. Dalším z uvedených omezení akumulátorů je jejich teplotní závislost. To znamená, že většina parametrů akumulátoru je těsně spjata s provozní teplotou. Dokonce i jeho jmenovité hodnoty jsou uváděné pro konkrétní teplotu, případně teplotní interval. Nejvíce se závislost projevuje na kapacitě článku, která klesá úměrně s teplotou. Jako příklad je možno uvést 12V startovací PbA akumulátor, u kterého již při teplotě 0 °C dochází k poklesu kapacity o 20 % a při -20 °C až o 50 % jmenovité hodnoty. Proto automobily obtížně startují během mrazivého zimního období. Co se týče délky nabíjení akumulátorů, ta se zatím u většiny typů pohybuje v řádu několika hodin. I když už existují rychlé nabíječky, které tento čas zkracují na desítky minut, stále je to možné jen na úkor životnosti baterie. Problém s dlouhými nabíjecími časy se nejvýrazněji projevuje u elektromobilů, kde ani zdaleka není možné se přiblížit k času tankování běžného paliva do automobilu. Posledním z uvedených nedostatků klasických akumulátorů je jejich samovybíjení. Tento negativní jev je charakteristický pro všechny akumulátory a výrazně se podílí na celkové účinnosti. Ta klesá úměrně s délkou provozu na jedno nabití. S tímto jevem je též spojen problém vyplývající ze skladování akumulátorů. Při dlouhodobém skladování ve vybitém stavu může dojít k jejich poškození, či dokonce až k úplnému zničení. Proto se i během skladování vyžaduje pravidelné dobíjení. Kromě zmíněných nedostatků a omezení však existuje ještě celá řada dalších, které ale již souvisí s konkrétním typem akumulátoru. Proto jsou v současnosti akumulátory stále častěji považované za nejslabší článek v celém elektronickém zařízení. I přes veškeré nevýhody jsou ještě pořád jediným použitelným, a tedy i nejlepším sekundárním zdrojem elektrické energie. Výzkum se snaží co nejvíce potlačit uvedené nedostatky akumulátorů a zároveň hledá i nové možnosti a způsoby skladování elektrické energie. ULTRAKAPACITORY Největší pokrok u sekundárních zdrojů elektrické energie se podařilo vědcům dosáhnout sestrojením tzv. ultrakapacitoru (UCAP). O tom, že jde o poměrně novou součástku svědčí i nejednotnost v pojmenování. V literatuře se proto můžeme setkat i s názvy superkapacitor (SCAP) nebo dvojvrstvý elektrolytický kondenzátor (EDLC). Elektrické, ale i mechanické vlastnosti UCAP daleko převyšují vlastnosti současných akumulátorů. Základní rozdíl mezi UCAP a akumulátorem spočívá v samotném principu skladování elektrické energie. Zatímco akumulátor využívá k uskladnění elektrické energie chemickou reakci, pomocí které ji přemění na materiál elektrod, UCAP funguje podobně jako elektrolytický kondenzátor a dokáže uskladnit elektrickou energii přímo v čisté formě, tedy bez nutnosti její další přeměny. To vysvětluje jeho neporovnatelně lepší elektrické vlastnosti a téměř nulovou teplotní závislost. Vnitřní struktura UCAP se z velké části shoduje s elektrolytickým kondenzátorem. Na rozdíl od něj má však UCAP navíc pokryté obě elektrody tenkou vrstvou aktivního uhlíku, který vzhledem ke své vysoké pórovitosti několikanásobně zvyšuje aktivní plochu elektrod. Díky tomu vykazují UCAP hodnoty kapacit řádově 102 až 103 faradů! Jediným nedostatkem UCAP je zatím poměrně nízká energetická hustota na jednotku objemu. Již však existují studie, které slibují zvýšení energetické hustoty UCAP na úroveň dnešních Li-Ion akumulátorů. Bohužel jsou kvůli vysokým technickým nárokům a finančním nákladům zatím nerealizovatelné. Pokud se v budoucnosti podaří tyto překážky odstranit, tak by UCAP mohly plně nahradit současné akumulátory. Do té doby je však jejich použití ve funkci samostatného sekundárního napájecího zdroje výrazně omezeno. A proto se i nadále musejí pro skladování elektrické energie používat akumulátory. HYBRIDNÍ BATERIE Pokud shrneme uvedené výhody UCAP a nedostatky akumulátorů, tak dospějeme k následující otázce. Proč nevyužít výhod UCAP ve prospěch akumulátorů, a tím vytvořit hybridní typ sekundárního napájecího zdroje, který disponuje jak vysokou energetickou hustotou, tak i podstatně vyšší dynamikou? Odpovědí by mohla být tzv. Hybridní Baterie (HB). Její blokové schéma zapojení je znázorněno na dalším obrázku. V principu jde o kaskádní propojení běžného akumulátoru s UCAP prostřednictvím obousměrného DC/DC měniče. Z toho potom vyplývá, že statické parametry této HB jsou dané použitým typem akumulátoru a dynamické kapacitou UCAP. Úlohou DC/ DC měniče je zprostředkování přenosu elektrické energie mezi akumulátorem a UCAP v obou směrech za předem definovaných podmínek. Těmito podmínkami se rozumí např. proudové omezení pro hraniční hodnoty dovolených nabíjecích a vybíjecích proudů akumulátorů. To znamená, že už samotný měnič může zajistit některé z ochranných a monitorovacích funkcí managementu akumulátoru (BMS). Případně je možné rozšířit zapojení HB o plnohodnotný systém BMS, podobně jak je tomu u baterií přenosných počítačů. V konečném důsledku struktura BMS závisí na typu použitého akumulátoru a požadavcích napájeného systému. K hlavním výhodám popisovaného zapojení HB vůči samotnému akumulátoru patří: ? podstatně vyšší dynamika výstupního výkonu, ? částečně potlačená teplotní závislost, ? konstantní velikost svorkového napětí HB v průběhu celého životního cyklu, ? delší životnost. Nevýhody jsou vpodstatě jen dvě: ? značná složitost zapojení, ? vyšší cena. Podstata dosažení vyšší dynamiky výstupního výkonu HB byla již vysvětlena. Je třeba už jen dodat, že její velikost je přímo úměrná jmenovité kapacitě použitého UCAP. S UCAP souvisí i další uvedená vlastnost HB, kterou je její částečně potlačená teplotní závislost. Slovo částečně je použito proto, že potlačená teplotní závislost platí jenom v rámci dostupné energetické hustoty UCAP, nikoli celé HB. Z toho tedy můžeme usoudit, že dynamika HB není téměř vůbec omezována teplotním intervalem akumulátoru. K omezování dochází jen tehdy, pokud úroveň a doba zatížení HB přesáhne energetickou hustotu UCAP. Obzvlášť zajímavou vlastností HB je její konstantní velikost svorkového napětí v průběhu celého životního cyklu. Tato vlastnost je již dána přímo DC/DC měničem, který je schopen zajistit konstantní svorkové napětí HB i při poklesu napětí akumulátoru vlivem jejího vybíjení. Vzniká však otázka, jak informovat aplikaci o úrovni nabití HB, když měření jejího svorkového napětí nelze použít. V případe, že je HB vybavená plnohodnotným BMS, tak tento problém zaniká, neboť všechny informace o HB jsou aplikaci poskytovány po její komunikační sběrnici. V okamžiku, kdy se z finančních nebo technických důvodů nevyplatí zapojení HB rozšiřovat o plnohodnotný BMS, existuje množství dalších způsobů, jak tento problém řešit (např. i přímým vyvedením svorek akumulátoru na plášť HB). Vzhledem k ochranné a monitorovací funkci samostatného DC/ DC měniče (i bez plnohodnotného BMS) je akumulátor trvale provozován jen ve svých bezpečných provozních podmínkách. Zároveň dochází k výraznému zredukovaní jeho dynamického zatížení, které se tu přenáší na UCAP. Tím se životnost akumulátoru může v nepříznivých provozních podmínkách prodloužit až o 50 % původní životnosti. Z toho teda vyplývá delší životnost HB. Vedle uvedených výhod byly zmíněny i dvě nevýhody, které však nesouvisí s funkčností HB, ale spíše s její realizační a ekonomickou stránkou. To se ale u nově vyvíjených zařízení dá očekávat. V případě, že by se HB zavedla do sériové výroby, stanou se tyto nedostatky časem bezvýznamnými. Popisovaná koncepce HB je tedy hlavním přínosem zejména pro mobilní výkonové aplikace. Právě ty vyžadují od napájecího zdroje vysokou dynamiku výstupního výkonu a minimální teplotní závislost. Názorným příkladem mohou být i osobní automobily. O startovacích akumulátorech, resp. o jejich nevýhodách, kterými jsou nízká dynamika a poměrně velká teplotní závislost, byla zmínka již v úvodní části. A právě zmíněné nevýhody jsou u HB potlačeny. Navíc u nich nedochází k poklesu svorkového napětí v důsledku vybíjení, čímž jsou zajištěny ideální provozní podmínky při každém startování automobilu. Další možné využití HB je v akumulátorových elektronářadích, dopravních vozících, elektromobilech atd. Na závěr je nutné poznamenat, že HB je zatím jen unikátní myšlenkou, která může posloužit především jako inspirace při vývoji nových typů sekundárních zdrojů elektrické energie. Jenom čas však ukáže, zda se také uplatní i v běžné praxi jako alternativní náhrada dnešních akumulátorů. ING. MARTIN OLEJÁR ING. FRANTIŠEK ĎUROVSKÝ, PHD. ING. JAROSLAV DUDRIK, PHD. FEI TU KOŠICE ING. JAN KOPRNICKÝ FMMIS TU V LIBERCI