Autores: Julio Gállego-López, Business Development Manager, y Christian Kasper, Technical Support, de Rutronik, Akos Labady, Senior Field Application Engineer de EATON
Los EDLC, también conocidos como supercondensadores, boost caps o gold caps, son condensadores electroquímicos que combinan alta capacitancia con baja resistencia interna. Esto hace que sean ideales en una amplia variedad de aplicaciones. Pero, qué son y qué hay que tener en cuenta. Un EDLC (Electronic Double-Layer Capacitor – condensador eléctrico de doble capa) consta de dos electrodos de aluminio recubiertos de carbono (Figura 1). Su estructura altamente porosa da como resultado un área de superficie muy grande, que es la principal responsable de la alta capacitancia. El papel separador entre los electrodos actúa simultáneamente como un depósito para el electrolito. Este se compone fundamentalmente de acetonitrilo (ACN), que se usa como un solvente para disolver las sales que aumentan la conductividad. Cuando se aplica una tensión de CC, los portadores de carga se acumulan según la polaridad a una distancia extremadamente corta de la superficie de carbono. Este efecto, conocido como la capa de Helmholtz, forma el dieléctrico. Dado que esto sucede en los electrodos positivo y negativo, los componentes se denominan condensadores de doble capa.
Sistemas de almacenamiento de energía basados en supercondensadores
Hay tres aplicaciones que son relevantes para las supercondensadores: acumulación de energía, potencia de pulso y respaldo (backup). El objetivo es desarrollar un almacén de energía basado exclusivamente en supercondensadores o combinado con una batería, con el supercondensador como almacén secundario para cubrir los picos de potencia.
Acumulación de energía
En la acumulación de energía, la fuente de energía primaria, por ejemplo, un módulo solar, requiere un método de almacenar la energía generada y recuperarla en función de las necesidades, por ejemplo, en un supercondensador. Sin embargo, es importante tener en cuenta que los supercondensadores poseen mayores índices de corriente de fuga o autodescarga que las baterías. Durante la fase de acumulación o carga, la corriente de carga debe ser, al menos, diez veces mayor que la corriente de fuga.
Potencia de pulso o elevador de potencia (booster)
Si una aplicación demanda reiteradamente picos de potencia, un supercondensador puede cubrirlos, extendiendo así muchas veces la vida de la fuente de alimentación primaria como, por ejemplo, una batería (Figura 2). Aquí, la ESR (equivalent serial resistance – resistencia serie equivalente) del condensador es el parámetro más importante y se convierte en la base para la elección del supercondensador. Como “regla de oro”, la ESR del condensador debe ser alrededor del 25 por ciento de la ESR de la celda primaria.
Fallo de alimentación o respaldo (backup)
Los supercondensadores son capaces de suministrar energía durante un periodo de tiempo específico (Figura 3). El sistema no debe tener necesariamente una fuente de energía como una batería. Los ejemplos incluyen sistemas de reloj en tiempo real que requieren unos pocos microvatios de potencia durante varios días o incluso semanas, pero también aplicaciones muy “intensivas” en energía, como aquellos tranvías que tienen que recorrer una distancia relativamente corta sin catenaria. Los supercondensadores también están especialmente indicados a la hora de respaldar sistemas de transporte sin conductor (AGV – automated guided vehicles – vehículos de guiado automático) durante una determinada distancia sin necesidad de batería.
Parámetros importantes en el desarrollo de los supercondensadores
Ciertos parámetros deben tomarse en consideración en los diseños con supercondensadores. Los más importantes son los siguientes:
- Rango de temperatura
- Vida útil
- Ciclos de carga y descarga durante la vida útil
- Rango de tensión utilizable
- Costes
- Parámetros de carga
- Balance
Rango de temperatura: Debido a su composición física y química, los supercondensadores tienen una potencia muy constante sobre un amplísimo rango de temperatura operativa. Las curvas de capacitancia y ESR en función de la temperatura se encuentran disponibles por parte del fabricante (bajo petición).
Vida útil: La tensión y la temperatura operativas son los aspectos más influyentes en la vida útil de los supercondensadores. Si se almacenan en una condición sin carga, su vida útil es prácticamente ilimitada. Como dato característico en las fichas técnicas, los proveedores especifican el cambio que se suele producir en el rendimiento al disminuir la capacitancia y aumentar la resistencia.
Ciclos durante la vida útil: Bajo las condiciones operativas típicas, dependiendo de la celda, un supercondensador puede realizar hasta un millón de ciclos de trabajo con una reducción en la capacitancia nominal del 20 al 30 por ciento en la mayoría de los casos.
Rango de tensión utilizable: Los supercondensadores poseen una tensión nominal de 2,7 o 3 V (modelos híbridos: 3,8 V). Pueden operar hasta que se llegue a 0 V (las variantes híbridas sólo caen a 2,2 V). Los componentes híbridos combinan las propiedades tanto de una batería como de un supercondensador. No obstante, su uso se debe considerar detenidamente debido a la tensión mínima requerida. Algunos fabricantes también especifican los picos de tensión en sus fichas técnicas. Esto describe la tensión máxima absoluta durante un tiempo de hasta un segundo. Los picos de tensión aleatorios por encima de la tensión nominal no afectan al condensador de manera inmediata, pero, dependiendo de la frecuencia y la duración, pueden reducir significativamente su vida útil.
Teóricamente, el contenido total de energía de un condensador es E=½C·V2 (C= capacitancia, V= tensión). Dado que la mayoría de dispositivos electrónicos requiere una determinada tensión mínima para operar, esto significa lo siguiente: el rango de tensión nunca se extiende desde la tensión nominal hasta cero. El uso de un rango de tensión de la mitad de la tensión nominal permite que alrededor del 75 por ciento de la energía disponible se obtenga del supercondesador.
El contenido de energía con descarga parcial se calcula empleando la siguiente fórmula:
E = ½C (V2max – V2min)
Costes: El precio por vatio-hora de un supercondensador es relativamente alto en comparación, por ejemplo, con las baterías de iones de litio, motivo por el que resulta recomendable considerar muy detenidamente si tiene sentido y es factible el desarrollo con un supercondensador. Los costes deben compararse con las ventajas de su uso.
Parámetros de carga: Los supercondensadores no almacenan la energía a través de una reacción química de la misma manera que las baterías, sino de forma electrostática, lo que permite que se carguen y descarguen de la misma manera y con el mismo valor actual. Esto es posible con corriente constante o potencia constante de una fuente de CC.
Balance: La tensión operativa de aquellas aplicaciones para las que los supercondensadores son adecuados normalmente supera con creces la tensión nominal de las celdas de supercondensador, que se sitúa en 2,7 o 3 V. Hay que conectar en serie múltiples condensadores para lograr la tensión demandada, por ejemplo, 12, 24 o 48 V. Las diferentes tolerancias de capacitancia y corriente de fuga de las celdas individuales del condensador tienen que equilibrarse cuando se cargan usando el balance de celdas, por lo que las celdas individuales no caen por debajo de su rango de tensión máximo. Se encuentran disponibles métodos pasivos y activos. En términos simples, el balance pasivo es idóneo en aplicaciones con una carga baja, mientras que el balance activo está más indicado en sistemas con una carga elevada y unas secuencias de ciclo de carga/descarga más rápidas.
El balance pasivo implica la conexión de una resistencia de bypass o un diodo Zener en paralelo a cada celda para poder compensar la corriente de fuga de la propia celda y, por ende, reducir la diferencia de capacitancia entra las celdas. Si todas las resistencias conectadas en paralelo son idénticas, las celdas con una tensión más alta deben descargarse más rápido que las celdas con una tensión más baja debido a la resistencia, logrando así el balance de las tensiones de las celdas individuales.
Por su parte, el balance activo conlleva la integración de comparadores de tensión, individualmente o en un circuito combinados con otras funciones de monitorización/carga. Este balance activo no regula continuamente toda la corriente de compensación como sucede en el balance pasivo, sino que sólo lo hace cuando la tensión supera un umbral predefinido. Esto posibilita que el balance activo sea altamente efectivo y eficiente, pero también más complejo y costoso. En general, un módulo supercondensador que ya tiene la mayor parte del balance integrada suele ser la mejor opción. En este caso, el balance se adapta de forma óptima a las celdas.
Escalado de un supercondensador
En la primera fase de un desarrollo con supercondensadores, resulta esencial definir los valores de los parámetros en la Figura 4, ya que determinan la operación de los supercondensadores en la aplicación.
Vmax: Tensión operativa máxima
Vmin: Tensión mínima por debajo de la cual la aplicación no funcionará
Tiempo: Tiempo durante el cual el supercondensador debe entregar una tensión y una corriente entre las tensiones máxima y mínima
Vdrop: Caída de tensión en el condensador debido a la ESR (determinada posteriormente)
It: Corriente requerida para el funcionamiento del dispositivo. Aunque la mayoría de las aplicaciones demanda una corriente casi constante, algunas tienen una corriente variable, aquí se especifica una corriente promedio.
Fin de la vida útil de un supercondensador
Un supercondensador llega a su EOL (end of life – fin de vida útil ) cuando, en comparación con la ficha técnica,
o la capacitancia ha caído un 30 por ciento (en algunos sectores como, por ejemplo, la aviación, es aplicable un 20 por ciento y, en otros como la automoción, un 50 por ciento)
o la ESR se ha doblado (normalmente con una reducción de capacitancia de alrededor del 30 por ciento, en las pilas de botón se aplica un aumento del 400 por ciento).
Los criterios relevantes de la EOL se suelen encontrar bajo el título «DC life – Vida útil de CC» en la ficha técnica.
Cálculo de capacitancia
Se puede usar la siguiente fórmula (resuelta para IT o C) a la hora de determinar la capacitancia requerida de un supercondensador:
IT = C · dV/dT = C · (Vmax – Vmin – Vdrop)/T
C = It · T/(Vmax – Vmin – Vdrop)
Sin embargo, en el primer paso, no se tiene en cuenta la caída de tensión (Vdrop):
C = It · T/(Vmax – Vmin)
Entonces, se selecciona una capacitancia estándar, que se sitúa por encima del valor calculado. Por ejemplo, si el resultado de la fórmula es 13,2 F, se debe elegir un condensador de 15 F.
El siguiente paso es un segundo cálculo que tiene en cuenta la ESR máxima para CC (o a baja frecuencia). La ESR de CC se define generalmente en la ficha técnica; un ejemplo se muestra en la Figura 5.
Caída de tensión (caída de ESR)
Vdrop = DC ESR · It
C = It · T/(Vmax – Vmin – Vdrop)
Tomando esto en consideración, la ESR Vdrop desemboca en una capacitancia final más alta porque se reduce el rango de tensión utilizable. Este nuevo valor calculado debe ser inferior a la capacitancia seleccionada previamente. Por ejemplo, si es 13,8 F, el condensador de 15 F seleccionado todavía es idóneo. No obstante, si la capacitancia calculada es mayor de 15 F, habrá que decantarse por un condensador con una mayor capacitancia. Siempre es importante tener en cuenta la degradación de la capacitancia y la ESR (Figura 6).
Por ejemplo, si tomamos el 80 por ciento de la capacitancia original como la EOL y si el valor de capacitancia calculado es 13,8 F, la capacitancia tiene que situarse un 20 por ciento por encima de esto, a saber, 16,56 F. Esto significa que, por ejemplo, se debe elegir un condensador de 25 F.
Perfil de temperatura
Un factor crucial al seleccionar un supercondesador es el perfil de temperatura de la aplicación, ya que influye en gran medida en varias propiedades del condensador, especialmente en la ESR, la capacitancia y la corriente de fuga. A su vez, esto tiene un impacto en su vida útil.
La resistencia interna (ESR) es casi estable en el rango de temperatura media e incluso cae ligeramente a temperaturas más altas (Figura 8). Si el componente rinde con temperaturas por debajo de 68 °F (20 °C), hay que tomar en consideración el aumento de la ESR e incorporarlo a los cálculos. Por el contrario, la capacitancia es relativamente estable en toda la progresión de la temperatura y sólo baja un poco a bajas temperaturas.
En un lenguaje sencillo, la corriente de fuga es la mínima corriente que tiene que suministrarse a un supercondensador para mantener permanentemente la misma carga o el mismo nivel de tensión. Depende en gran medida de la temperatura y la tensión aplicada. Con cada aumento de temperatura de 50 °F (10 °C), crece entre dos y tres veces y se eleva bruscamente más allá de 104 °F (40 °C) (Figura 9). Una reducción de tensión de 0,2 V provoca una caída aproximada del 50 por ciento. Es proporcional a la capacitancia del condensador y depende del tipo de electrolito. Al usar ACN (acetonitrilo), es ligeramente superior que cuando se utiliza PC (carbonato de propileno).
La corriente de fuga desempeña un papel protagonista en aquellas aplicaciones donde se aplica continuamente tensión porque las celdas siempre tienen que recibir corriente para mantener la tensión a un nivel constante. Para los condensadores conectados en serie con una tensión permanente, la corriente de fuga también resulta importante. Su cambio a lo largo de la vida útil hace que el sistema pierda el equilibrio con el paso del tiempo. Las celdas con una corriente de fuga inferior están cargadas ligeramente, mientras que las celdas con la corriente de fuga más elevada están mínimamente descargadas. Esto se traduce en un mayor envejecimiento desigual de las células en el sistema. El balance pasivo aquí sería un remedio. Como regla de oro: la corriente de equilibrio debe ser diez veces la corriente de fuga.
Ejemplo de un sistema con supercondesador
En almacenes para servicios modernos de comercio electrónico (e–commerce), la transferencia altamente automatizada a los procesos de inventario y preparación de pedidos (stock & picking) se suele llevar a cabo por sistemas de transporte sin conductor (AGV). Cogen cajas o palés de los estantes y los llevan a una estación de embalaje. Una operación como esta suele durar dos o tres minutos. La fuente de alimentación proviene de carriles guía o de un acumulador de energía integrado (batería o supercondensadores). Este acumulador puede suministrar energía en toda el área y cargarse después del turno o cubrir sólo una parte de la ruta y recargarse regularmente en una estación de carga entre trabajos.
Los supercondensadores han progresado hasta convertirse en una solución de alimentación popular en este tipo de vehículos sin conductor, particularmente en almacenes refrigerados o donde se requiere una operación 24/7 sin necesidad de mantenimiento. Esto se debe a que se pueden cargar durante el funcionamiento del vehículo para dos o tres minutos de uso en un lapso de 10 a 30 segundos y, por lo tanto, permiten que los profesionales que trabajan en el almacén logren casi el cien por cien de la utilización del vehículo, debido a los breves tiempos de inactividad para su carga. Además, pueden rendir sin mantenimiento durante más de diez años y no representan ningún problema de seguridad, como puede ser el caso de las baterías.
