Cómo acertar en la selección de supercapacitores

Las baterías y los supercapacitores almacenan energía mediante mecanismos fundamentalmente diferentes, y esa diferencia determina dónde corresponde cada tecnología en un diseño.

En una batería, las cargas se transfieren entre los electrodos y el electrolito mediante reacciones químicas, lo que produce una corriente eléctrica a través de un circuito conectado externamente. Esta química es lo que da a las baterías su alta densidad de energía y por qué son adecuadas para aplicaciones que requieren una demanda de corriente sostenida durante largos períodos, como los vehículos eléctricos y el almacenamiento a escala de red.

Los supercapacitores funcionan de manera diferente. Al igual que un capacitor convencional, almacenan carga electrostáticamente, pero la capa doble de carga almacenada (entre cada electrodo y una capa de iones con carga opuesta en el electrolito) les proporciona una capacitancia mucho mayor que la de un capacitor estándar. El resultado es un dispositivo que puede suministrar alimentación casi de inmediato, sin la carga química de una batería. Debido a que el almacenamiento de carga en un supercapacitor no implica reacciones químicas, los supercapacitores generalmente ofrecen una mejor gestión térmica, una mayor vida útil de ciclo, un mejor rendimiento a altas y bajas temperaturas y una mayor eficiencia que las baterías.

La compensación es la densidad de energía. Mientras que las baterías destacan en el almacenamiento de energía para descargas de larga duración, los supercapacitores están optimizados para la carga y descarga rápidas, lo que los convierte en la opción adecuada para el suministro de potencia pulsatoria o potencia de respaldo a corto plazo, pero no en un reemplazo directo de las baterías en cargas de uso intensivo de energía.

Seleccionar el dispositivo adecuado implica adaptar las características de un capacitor a las exigencias específicas de la aplicación. Eaton responde a esta necesidad mediante una amplia cartera que abarca varias tecnologías de capacitores distintas, incluida una línea de supercapacitores que cubre una amplia gama de requisitos.

Cartera de capacitores de Eaton

La división de componentes electrónicos de Eaton ofrece capacitores de cuatro familias principales.

Los capacitores de polímero de aluminio utilizan un electrolito de polímero conductor en lugar del líquido o gel presente en los electrolíticos de aluminio estándar. La construcción con polímero proporciona una menor resistencia equivalente en serie (ESR) y un mejor rendimiento en alta frecuencia, lo que hace que estos capacitores sean una opción natural para el desacoplamiento y filtrado de fuentes de alimentación.

Los capacitor electrolítico de aluminio utilizan un electrolito líquido y un dieléctrico de óxido de aluminio formado sobre lámina de aluminio grabada. El grabado incrementa drásticamente el área superficial efectiva, lo que permite valores altos de capacitancia en un paquete compacto. Estos capacitores se utilizan ampliamente para el almacenamiento de energía a granel y el filtrado en aplicaciones industriales y de consumo.

Los capacitores de película de polipropileno metalizado utilizan un dieléctrico de polipropileno con una fina capa de metal depositado, enrollado alrededor de un núcleo. La construcción seca y no polarizada proporciona a estos capacitores una capacitancia estable en todo el rango de temperatura, con capacidad para soportar altas corrientes de ondulación, altos voltajes de pulso y sobretensión, y funcionamiento en alta frecuencia.

Una característica clave de la construcción metalizada es la autorreparación. Si se produce una falla del dieléctrico debido a sobretensión, sobrecalentamiento o un evento transitorio, la descarga resultante vaporiza la capa metálica circundante, aísla la falla y evita un cortocircuito permanente. La gama de capacitores de película de Eaton incluye tipos de enlace de CC para trenes motrices de vehículos eléctricos e inversores solares, así como tipos Clase X y Clase Y con clasificación de seguridad para filtrado de línea de CA. Hay disponibles versiones calificadas según AEC-Q200 y THB grado IIIB para uso automotriz e industrial.

Los capacitores electroquímicos de doble capa (EDLC), también denominados supercapacitores o ultracapacitores, almacenan carga electrostáticamente entre dos electrodos a base de carbono y un electrolito líquido. Los iones del electrolito son atraídos hacia la superficie del electrodo durante la carga y se liberan durante la descarga, sin transformación química en los electrodos. Este mecanismo puramente físico es lo que permite que los capacitores electroquímicos de doble capa (EDLC) soporten millones de ciclos de carga y descarga con una degradación mínima. La gama de supercapacitores de Eaton incluye celdas cilíndricas individuales, variantes híbridas y módulos completos.

Cómo dimensionar un supercapacitor

El punto de partida para dimensionar un supercapacitor es identificar en cuál de dos casos de uso comunes se encuadra la aplicación.

Las aplicaciones de potencia de respaldo requieren que el supercapacitor mantenga la potencia de la carga durante segundos o minutos. Entre los ejemplos comunes se incluyen estacionar el cabezal de lectura/escritura de una unidad de disco cuando se corta la alimentación o mantener un sistema en funcionamiento el tiempo suficiente para un apagado seguro. En estas situaciones, la capacitancia es la especificación que debe dimensionarse. El dispositivo necesita suficiente energía almacenada para alimentar la carga desde su voltaje de trabajo hasta el mínimo que el sistema puede tolerar.

Las aplicaciones de potencia pulsatoria se caracterizan por una corriente continua baja con ráfagas cortas e intensas. Por ejemplo, un módem GSM/GPRS puede consumir hasta 2 A durante un período de transmisión medido en fracciones de milisegundo. Durante un pulso, la caída de voltaje proviene en parte de la resistencia equivalente en serie (ESR) y en parte del agotamiento de la carga almacenada. En pulsos muy cortos, la contribución resistiva es mayor, por lo que la resistencia equivalente en serie (ESR) se convierte en la especificación más importante que se debe optimizar.

Cuando el voltaje de trabajo de un circuito supera la clasificación máxima de una sola celda, los supercapacitores pueden colocarse en serie. Las configuraciones en serie deben equilibrarse para garantizar una distribución uniforme del voltaje entre los dispositivos.

La calculadora de supercapacitor de Eaton guía paso a paso por los cálculos de capacitancia y resistencia equivalente en serie (ESR) para ambos tipos de aplicaciones.

Familias de supercapacitores de Eaton

Los productos de supercapacitores de Eaton se dividen en seis categorías.

Celdas tipo moneda

Los supercapacitores de celda tipo moneda son dispositivos compactos para casos de uso como respaldo de reloj de tiempo real y memoria. Una opción de temperatura extendida cubre de -40 °C a +85 °C para entornos industriales en los que las celdas tipo moneda estándar no son suficientes. Las aplicaciones incluyen metros de servicios públicos, dispositivos de uso médico, equipos de red, computadoras y controles industriales.

Celdas cilíndricas pequeñas

Las celdas cilíndricas pequeñas de Eaton ofrecen capacitancia desde menos de 1 F hasta 110 F, con variantes que abarcan temperatura de funcionamiento de -40 °C a +85 °C. Hay disponible una versión con certificación para automoción para aplicaciones de seguridad como cerraduras de puertas de emergencia y eCall. En toda la gama, los casos de uso típicos incluyen metros inteligentes de servicios públicos, seguimiento de GPS y activos, radios de RF y servidor de almacenamiento.

Paquetes cilíndricos

Los paquetes cilíndricos combinan dos celdas en un único conjunto con balanceo de celdas integrado, lo que proporciona voltajes de funcionamiento más altos que las celdas individuales sin necesidad de circuitería de balanceo externo. Los casos de uso son similares a los de la gama cilíndrica pequeña (medidores inteligentes, seguimiento por GPS, servidores de almacenamiento y dispositivos de seguridad automotriz) donde se necesita un voltaje de sistema más alto.

Celdas grandes

Las celdas cilíndricas grandes cubren una capacitancia de 300 F a 3400 F para aplicaciones que requieren alto almacenamiento de energía o potencia pico en un solo dispositivo. Las aplicaciones abarcan desde el arranque del motor y la reducción de picos de potencia hasta la regeneración de energía, la potencia de respaldo industrial y los UPS.

Supercapacitores híbridos

Los EDLC estándares tienen una densidad de energía menor que las baterías de ion de litio y tienden a autodescargarse más rápidamente. La serie de supercapacitores híbridos de Eaton aborda ambas limitaciones al combinar la construcción de capacitores electroquímicos de doble capa (EDLC) y de ion de litio dentro de un solo dispositivo.

En un capacitor electroquímico de doble capa (EDLC) estándar, ambos electrodos están basados en carbono y la carga se almacena electrostáticamente a medida que los iones son atraídos hacia la superficie del electrodo durante la carga y liberados durante la descarga. En un supercapacitor híbrido, un electrodo se sustituye por un electrodo de carbono dopado con litio, similar al ánodo de una batería de ion de litio. La carga se almacena electroquímicamente como una película delgada que se forma sobre la superficie durante la carga.

El dopaje con litio también reduce el potencial del electrodo, lo que eleva el voltaje máximo de trabajo a 3.8 V, en comparación con aproximadamente 2.7 V para un capacitor electroquímico de doble capa (EDLC) estándar. Un mayor voltaje de la celda significa más energía por dispositivo y menos celdas necesarias para alcanzar un voltaje objetivo del sistema. Los supercapacitores híbridos tienen hasta 10 veces la densidad de energía de un EDLC estándar.

Las baterías de ion de litio utilizan materiales de cátodo de óxido de meta, lo que las hace susceptibles a descontrol térmico cuando se cortocircuitan o perforan. Los supercapacitores híbridos evitan por completo los cátodos de óxido de meta, lo que los convierte en una opción más segura.

Eaton ofrece tres series dentro de la familia de supercapacitores híbridos:

• Serie HS: capacitancia de 5 F a 220 F a 3.8 V, con una vida útil de hasta 500,000 ciclos de carga y descarga. La capacidad de funcionar a temperatura de funcionamiento hace que la HS sea adecuada para alimentación de respaldo industrial, dispositivos IoT y subsistemas automotrices que requieren ciclos frecuentes.
• Serie HSL: mismo rango de capacitancia y voltaje que la HS, optimizada para funcionamiento a baja temperatura y menor resistencia equivalente en serie (ESR), con una vida útil de hasta 250,000 ciclos. La HSL es adecuada para diseños en entornos fríos donde deben mantenerse tanto el suministro de energía como el rendimiento de pulso.
• Serie HSH: capacitancia de 3 F a 1400 F, con una densidad de capacitancia aproximadamente un 65% mayor que la HS y la HSL, y una vida útil de hasta 250000 ciclos. La HSH es la opción de mayor densidad de energía de la línea híbrida de Eaton, para aplicaciones que requieren un almacenamiento de energía considerable dentro de un espacio compacto.

Módulo

Los módulos de supercapacitores integran múltiples celdas con balanceo y gestión incorporados en una unidad lista para instalar. El balanceo integrado evita que las celdas individuales sufran sobreesfuerzo y la ausencia de degradación electroquímica significa que los módulos pueden tener una clasificación de hasta 20 años de servicio libre de mantenimiento. La baja ESR en todo el conjunto permite un alto suministro de potencia pico y minimiza el calentamiento interno.

La gama de módulos de Eaton va de 16 V a más de 300 V como unidades independientes y es escalable hasta 1500 V mediante combinaciones en serie y en paralelo. Los módulos de menor voltaje son adecuados para arranque de motor, equipos de manipulación de materiales, tren ligero y sistemas de tracción, con opciones selladas IP65 para entornos severos. Los módulos de mayor voltaje se implementan en UPS de centros de datos, almacenamiento en red, estabilización de energía renovable y aplicaciones pesadas industriales y de transporte.

En conjunto, las familias de supercapacitores de Eaton ofrecen a los diseñadores opciones flexibles para abordar un amplio rango de aplicaciones, lo que facilita seleccionar la solución adecuada para un diseño determinado.

Para obtener más información, visite la cartera de capacitores de Eaton.