Как да изберем технология за съхранение на енергия?

Въведение: Технологична революция и предизвикателства пред приложението на кондензаторите за съхранение на енергия

С бурното развитие на интернет на нещата, новите енергийни източници и интелигентните носими устройства, кондензаторите за съхранение на енергия се превърнаха в основен компонент на дизайна на електронните системи. Според индустриален доклад, публикуван от KYOCERA AVX, размерът на световния пазар на кондензатори за съхранение на енергия ще надхвърли $12 милиарда щатски долара през 2023 г., от които на многослойните керамични кондензатори (MLCC), танталовите кондензатори и суперкондензаторите се падат повече от 75% от пазарния дял. Въпреки това, изправени пред различните характеристики на различните технологии, инженерите често изпадат в дилема на избора - как да постигнат баланс между енергийна плътност, надеждност и цена? В тази статия се използва задълбочено сравнение на 8 основни измерения, съчетано с данни от лабораторни измервания на AVX и авторитетни изследвания в индустрията, за да се разкрие оптималната стратегия за избор на технология за кондензатор за съхранение на енергия.

1. Енергийна плътност: огромното предимство на суперкондензаторите и скритите недостатъци на MLCC

Поддръжка на данни:

• Капацитетът на единичен суперкондензатор (EDLC) може да достигне 3000F (като серията K2 на Maxwell Technologies), а енергийната плътност може да достигне 5-10 Wh/kg, което далеч надхвърля MLCC и танталовите кондензатори (Таблица 3).
• Диелектриците от клас 2 на MLCC (като X5R) се влияят значително от постояннотоково отклонение: капацитетът на MLCC с номинално напрежение 10 V може да намалее с 60% при работно напрежение 5 V (експериментални данни на AVX).

Предложения за подбор:

• Суперкондензаторите са предпочитани за сценарии, изискващи дългосрочно захранване (например интелигентни измервателни уреди).
• MLCC може да се използва за намаляване на разходите при сценарии с мигновени импулси

2. Ефективност на ESR: Как танталовите полимери постигат стократно подобрение на ефективността

Основни констатации:

• Стойността на ESR на танталовите полимери (TaPoly) е само 1/8 от тази на традиционните MnO2 танталови кондензатори (данните от теста на AVX показват 0,08Ω срещу 0,65Ω).
• MLCC има най-нисък ESR (ниво 0,01Ω) поради подредената си структура, но се колебае с 300% поради температурата.

Индустриален случай: Най-новият MLCC с размер 47μF 0402 на KYOCERA AVX има стабилен ESR от 0,015Ω в захранващите модули на 5G базови станции и поддържа 100A/μs преходна реакция

3. Температурна стабилност: Доминацията на танталовите кондензатори в екстремни среди

Експериментално сравнение:

• Колебанията на капацитета на танталовите кондензатори в диапазона от -55 ℃ ~ 125 ℃ са <±5% (изследователски доклад на NASA JPL)
• Разпадането на капацитета на диелектрика X5R на MLCC достига 40% при 85 ℃
• Работата на суперкондензаторите при ниски температури е ограничена: капацитетът на ацетонитрилния електролит спада с 50% при -40 ℃.

Точки за проектиране: В автомобилната електроника трябва да се даде приоритет на танталовите полимерни кондензатори (в съответствие със стандартите AEC-Q200).

4. Надеждност на живота: Разшифроване на "проклятието на стареенето" на MLCC и "характеристиките на самолечение" на танталовите кондензатори

Анализ на механизма:

• Изкривяването на решетката на BaTiO3 в MLCC води до средна годишна загуба на капацитет от 2-5% (доклад на конференцията PCNS 2021)
• Катодът на танталовия кондензатор MnO2 има способност за самовъзстановяване при окисляване, MTBF надхвърля 100 000 часа
• Животът на суперкондензатора е силно свързан с напрежението: всяко намаляване на напрежението с 0,2 V удължава живота с 1 път (данни от таблица 4 на AVX).

Стратегия за поддръжка: Препоръчва се медицинското оборудване да използва танталови кондензатори + вериги за наблюдение на напрежението, за да се избегнат внезапни повреди

5. Честотна характеристика: Абсолютна доминация на MLCC в областта на високите честоти

Сравнение на производителността:

• Честотната характеристика на MLCC може да достигне ниво GHz (измерени данни от серията Murata GJM)
• Танталовите кондензатори имат ефективна широчина на честотната лента от само 100 kHz, а суперкондензаторите са ограничени до по-малко от 10 Hz.

Сценарии на приложение:

• RF модулите трябва да използват MLCC C0G/NP0
• Филтрирането на захранването може да комбинира MLCC (висока честота) + танталови кондензатори (ниска честота)

6. Контрол на тока на утечка: Пробив на изолацията на танталови кондензатори на нано ниво

Технически напредък:

• Най-новите танталови кондензатори от серията TAC на AVX имат ток на утечка <0,01CV (μA), което е с два порядъка по-ниско от полимерните видове.
• На суперкондензаторите са присъщи токове на утечка от μА поради техните електрохимични свойства.
• Изолационно съпротивление на MLCC >100GΩ, но може да спадне рязко във влажна среда

Предупреждение за дизайн: Системите за събиране на енергия трябва да се предпазват от ефекта на умножаване на тока на утечка при постояннотоково отклонение на MLCC

7. Икономическа ефективност: Предимството на MLCC по отношение на мащаба и капана на рентабилността на суперкондензатора

Икономически анализ:

• 0402 Цена на единичен чип MLCC <$0.01 (оферта DigiKey 2023)
• Цената на танталовите кондензатори със същия капацитет е 3-5 пъти по-висока, а цената на суперкондензаторните модули е $10+
• Мрежата MLCC обаче изисква повече паралелни единици и площта на печатната платка се увеличава с 30%

Стратегия за обществени поръчки: Потребителската електроника препоръчва MLCC X5R/X7R, а индустриалното управление предпочита танталов полимер.

8. Системна интеграция: изкуството на свързването в мрежа на суперкондензаторите и революцията в миниатюризацията на MLCC

Гранични решения:

• Технологията AVX Spring Finger намалява импеданса на стека на суперкондензаторите с 40%
• MLCC с размер 01005 (0,4×0,2 мм) на Murata подпомага съхранението на микроенергия в носими устройства
• 3D структурната иновация на танталовите кондензатори прави капацитета на пакета EIA 2924 по-голям от 100mF

Проектиране на модула:

• Фотоволтаична система за съхранение на енергия препоръчва 6 вериги суперкондензатори + решение за активно балансиране
• Bluetooth слушалките предпочитат масиви 0201 MLCC

Заключение: Създаване на многоизмерна матрица за избор на технологии

Чрез задълбочен анализ на 8 измерения може да се изгради модел за вземане на решения за избор на кондензатор за съхранение на енергия:

Инженерите трябва да направят точни избора въз основа на диапазона на колебание на напрежението, температурния лимит, ограниченията на пространството и други параметри на конкретното приложение, в комбинация с онлайн инструмента за избор, предоставен от AVX. В бъдеще, с пробива на технологията на твърдия електролит и графена, кондензаторите за съхранение на енергия ще въведат по-висока енергийна плътност и по-интелигентен режим на управление.