Zastosowanie rozwiązań hybrydowych wykorzystujących zalety baterii i superkondensatorów do zasilania rozwiązań Internetu rzeczy (IoT)

Projektanci wyrobów do różnych zastosowań, od małych węzłów Internetu rzeczy (IoT), śledzenia aktywów i inteligentnych pomiarów, do większych, takich jak zasilanie awaryjne urządzeń i raportowanie stanu, coraz częściej wymagają niezależnego źródła zasilania akumulatorowego. Zazwyczaj ich wybór był ograniczony do baterii elektrochemicznych, zwykle opartych na chemii jonów litu (Li) lub kondensatorów o podwójnej warstwie elektrycznej (EDLC), często nazywanych superkondensatorami. Problem polega na tym, że każda z tych technologii, niezależnie od tego, czy jest stosowana samodzielnie, czy w połączeniu, ma pewne ograniczenia, co wymaga od deweloperów zrównoważenia możliwości i ograniczeń każdej z nich z celami projektowymi.

Cele te, szczególnie w przypadku zastosowań Internetu rzeczy (IoT) i przemysłowego Internetu rzeczy (IIoT) o niskiej mocy, zazwyczaj obejmują niezawodność, długi czas pracy, sprawność, gęstość energii i łatwość użycia, prowadzące do prostszego procesu projektowania i integracji, krótszego czasu opracowania i niższych kosztów projektu. Chociaż łączne zastosowanie zarówno ogniw litowo-jonowych, jak i kondensatorów EDLC jest całkowicie wykonalne, osiągnięcie tych celów może wymagać złożonego projektowania i optymalizacji dla obu podejść. Właściwsze może być podejście zintegrowane.

Artykuł omawia wymagania stawiane projektom zasilania urządzeń Internetu rzeczy (IoT) oraz technologie stojące za bateriami elektrochemicznymi i kondensatorami EDLC. Następnie przedstawia alternatywne podejście w postaci hybrydowych komponentów do magazynowania energii, które łączą w sobie cechy baterii i kondensatorów EDLC w jednej obudowie. Artykuł przedstawia przykładowe urządzenia firmy Eaton - Electronics Division oraz omawia ich charakterystykę i zastosowanie.

Systemy Internetu rzeczy (IoT) wymagają długiego czasu pracy przy niskiej mocy

W ciągu ostatnich kilku lat nastąpił ogromny rozwój zastosowań o niskiej mocy i niskim cyklu pracy, które mogą być zasilane ze stosunkowo niewielkich źródeł energii. Chociaż obwody w tych urządzeniach mają aktywne tryby pracy o prądach w zakresie od miliamperów do amperów, urządzenia te często charakteryzują się wydłużoną pracą w trybach głębokiego uśpienia, które zazwyczaj wymagają tylko mikroamperów. Zastosowanie w tych urządzeniach technologii bezprzewodowych o niskiej mocy, niskiej wielkości wypływu i niskim cyklu pracy, takich jak LoRaWAN lub Bluetooth Low Energy (BLE), również pomaga zminimalizować pobór mocy.

Dla takich warunków pracy projektanci zazwyczaj rozważają dwie technologie magazynowania energii: jakiś wariant baterii litowo-jonowej lub superkondensator. Każdy z nich stanowi kompromis w zakresie pojemności i gęstości energii, liczby użytecznych cykli, napięcia końcowego, samorozładowania, zakresu temperatur roboczych, charakterystyki pracy przy niskich i wysokich wielkościach wypływu oraz innych czynników.

Najważniejsze różnice w technologiach magazynowania energii

Krótko mówiąc, niezależnie od tego, czy jest to ogniwo pierwotne (nieładowalne) czy wtórne (akumulator), bateria działa na zasadzie elektrochemicznej. Bateria litowa zawiera anodę grafitową i katodę tlenkowo-metalową, z umieszczonym między nimi elektrolitem, który zazwyczaj jest cieczą, ale w niektórych przypadkach może być ciałem stałym. Żywotność ogniw akumulatorowych jest ograniczona zazwyczaj do kilku tysięcy cykli ładowania-rozładowania z powodu różnych form wewnętrznej degradacji.

Ponadto baterie wymagają zaawansowanego zarządzania ogniwami i pakietami baterii, aby zmaksymalizować ich okres użytkowania, jednocześnie zapobiegając problemom takim jak nadmierne naładowanie, niestabilność termiczna lub inne stany usterek, które mogą spowodować pogorszenie parametrów działania, zniszczenie ogniw, a nawet pożar. Stosunkowo płaski profil rozładowania tych baterii upraszcza implementację obwodów przez projektantów (ilustracja 1).

Ilustracja 1: profil cyklu rozładowania typowego ogniwa litowo-jonowego wskazuje prawie stałe napięcie wyjściowe aż do momentu, gdy ogniwo jest bliskie całkowitego rozładowania. (Źródło ilustracji: Eaton - Electronics Division)

W przeciwieństwie do nich, kondensatory EDLC magazynują energię, wykorzystując proces fizyczny, a nie reakcję chemiczną. Urządzenia te są symetryczne i posiadają elektrody z węgla aktywowanego zarówno po stronie anody jak i katody. Ich ładowanie i rozładowywanie to procesy elektrostatyczne bez reakcji chemicznych, a liczba użytecznych cykli jest praktycznie nieograniczona. W przeciwieństwie do akumulatorów ich napięcie końcowe spada liniowo w funkcji dostarczanej energii (ilustracja 2).

Ilustracja 2: w przeciwieństwie do ogniwa litowo-jonowego, napięcie wyjściowe superkondensatora maleje jednostajnie, w miarę jak oddaje on zmagazynowany ładunek. (Źródło ilustracji: Eaton - Electronics Division)

Technologia EDLC jest stosunkowo nowym osiągnięciem w świecie komponentów pasywnych. Nawet w latach 50. i 60. XX wieku panowało przekonanie, że kondensator o pojemności zaledwie jednego farada będzie miał wielkość pokoju. Jednakże badania nad materiałami i technologiami powierzchniowymi doprowadziły do powstania nowych struktur i technik wytwarzania, a w końcu do tego, co nazwano superkondensatorem, zapewniającym dziesiątki, a nawet setki faradów w obudowie o rozmiarach porównywalnych z innymi podstawowymi elementami biernymi.

Kompromisy opcji topologicznych

W związku z zasadniczymi różnicami konstrukcyjnymi i wydajnościowymi między bateriami i kondensatorami EDLC projektanci muszą zdecydować, czy użyć tylko jednego urządzenia magazynującego energię, czy połączyć oba ich rodzaje. Jeśli zdecydują się oni na zastosowanie połączenia, muszą wybrać spośród różnych topologii, z których każda wiąże się z kompromisami i skutkami w odniesieniu do parametrów działania (ilustracja 3).

Ilustracja 3: projektanci mogą łączyć superkondensatory i baterie w trzech typowych topologiach: (od góry) równolegle, jako niezależne jednostki lub łącznie przez kontroler/regulator. (Źródło ilustracji: Eaton - Electronics Division)

• Podejście równoległe jest najprostsze, ale wykorzystanie superkondensatora nie jest optymalne, a jego napięcie wyjściowe jest bezpośrednio związane z napięciem baterii.
• Użycie baterii i superkondensatora jako niezależnych jednostek sprawdza się najlepiej w przypadku niekrytycznego obciążenia podstawowego i oddzielnego obciążenia krytycznego, ponieważ zapewnia niezależne zasilanie dla każdego z nich, ale takie podejście nie oferuje korzyści w postaci synergii pomiędzy oddzielnymi jednostkami.
• Układ inteligentny łączy możliwości każdego źródła energii i maksymalizuje zarówno czas pracy, jak i żywotność cyklu, ale wymaga dodatkowych elementów zarządzających, takich jak kontroler i regulacja prądu stałego między dwoma źródłami a odbiornikiem. Ta topologia jest najczęściej stosowana w jednostkach zasilających związanych z transportem.

Przy zastosowaniu tego typu topologii wybór pomiędzy baterią a superkondensatorem nie jest decyzją typu „albo-albo”. Projektanci mogą decydować się na zastosowanie obu tych urządzeń, ale połączenie baterii i superkondensatora wymaga znalezienia optymalnej równowagi pomiędzy różnymi charakterystykami każdego z nich.

Dobra wiadomość jest taka, że dzięki innowacyjnemu komponentowi nie trzeba już stawać przed dylematem „i/lub” przy decyzji, czy użyć baterii, superkondensatorów, czy obu tych komponentów. Grupa hybrydowych komponentów do magazynowania energii firmy Eaton - Electronics Division łączy w jednej obudowie atrybuty obu rozwiązań, eliminując potrzebę kompromisu.

Superkondensatory hybrydowe

Superkondensatory hybrydowe łączą w sobie podstawowe struktury baterii i superkondensatorów w jednym urządzeniu. Te hybrydowe komponenty to nie tylko proste upakowanie odrębnej baterii i superkondensatora we wspólnej obudowie. W rzeczywistości są to źródła energii, które łączą chemię baterii z fizyką superkondensatora w jednej strukturze. Dzięki temu te hybrydowe urządzenia przezwyciężają odrębne wady baterii i superkondensatorów, zapewniając jednocześnie wyraźne korzyści dla dewelopera przez spełnienie wymagań projektowych.

Superkondensatory hybrydowe są asymetrycznymi urządzeniami składającymi się z anody grafitowej z domieszką litu oraz katody z węgla aktywnego. Chociaż ruch ładunku odbywa się głównie elektrochemicznie, to jednak na znacznie mniejszej głębokości w porównaniu z baterią litowo-jonową.

Oprócz innych atrybutów omawiane połączenie technologii skutkuje bardzo wysoką liczbą użytecznych cykli (typowe jest co najmniej 500 tysięcy cykli) i bardzo szybką reakcją na znaczne wielkości wypływu (ilustracja 4).

Ilustracja 4: oprócz innych zalet superkondensator hybrydowy pokonuje ograniczenia związane z cyklem ładowania-rozładowania oraz wielkością wypływu, występujące w przypadku baterii. (Źródło ilustracji: Eaton - Electronics Division)

Dodatkową zaletą jest brak tlenków metali, dzięki czemu hybrydowe superkondensatory nie stwarzają ryzyka pożaru ani niekontrolowanego wzrostu temperatury. Charakterystyka wyjściowa w zależności od poziomu naładowania jest również zgodna z potrzebami niskonapięciowych systemów małej mocy (ilustracja 5).

Ilustracja 5: charakterystyka wyjściowa rozładowania superkondensatora hybrydowego leży pomiędzy charakterystyką baterii i standardowego superkondensatora. (Źródło ilustracji: Eaton - Electronics Division)

Podobnie jak w przypadku wszystkich komponentów i podejść projektowych, każde rozwiązanie w zakresie magazynowania energii obejmuje kompromisy w zakresie parametrów działania i możliwości. Tabela 1 zestawia pozytywne („+”) i negatywne („-”) atrybuty dla typowych przypadków.

Tabela 1: porównanie typowych cech baterii, superkondensatora i superkondensatora hybrydowego wskazuje, że rozwiązanie hybrydowe łączy najlepsze cechy obu rozwiązań. (Źródło tabeli: autor, na podstawie danych z firmy Electronics Division)

Doświadczeni inżynierowie wiedzą, że żadne pojedyncze podejście nie jest idealne, jednak często pojedyncza pozytywna cecha jednego z dostępnych rozwiązań jest tak istotna, że przeważa nad każdym innym podejściem. Dlatego też o ostatecznym rozwiązaniu przesądzają wymagania systemu.

Superkondensatory hybrydowe obejmują cały zakres pojemności i wydajności energetycznej

W przeciwieństwie do niektórych specjalistycznych komponentów, które oferują tylko ograniczony przedział specyfikacji, superkondensatory hybrydowe są dostępne w dość szerokim zakresie wydajności. Na przykład w dolnej części tego zakresu znajduje się urządzenie HS1016-3R8306-R o pojemności 30F należące do serii HS cylindrycznych, hybrydowych ogniw superkondensatorowych firmy Eaton, mierzące 18mm długości i 10,5mm średnicy (ilustracja 6).

Ilustracja 6: urządzenie HS1016-3R8306-R firmy Eaton jest cylindrycznym ogniwem superkondensatora hybrydowego o pojemności 30F. (Źródło ilustracji: Eaton - Electronics Division)

Urządzenie HS1016-3R8306-R ma napięcie robocze 3,8V, a jego krytyczna specyfikacja dla początkowej równoważnej rezystancji szeregowej (ESR) jest niska i wynosi 550mΩ, co przekłada się na dość dużą gęstość mocy - aż ośmiokrotnie większą niż w przypadku standardowego superkondensatora. Może ono dostarczać prąd ciągły o natężeniu 0,15A (maksymalnie 2,7A), a jego pojemność magazynowania energii wynosi 40mWh. Podobnie jak wszystkie produkty z serii HS, podsiada ono aprobatę UL, co znacznie upraszcza cały proces zatwierdzania produktu.

Hybrydowy superkondensator o większej pojemności z tej samej grupy, HS1625-3R8227-R to cylindryczne urządzenie o pojemności 220F, wymiarach 27mm długości i 16,5mm średnicy, z równoważną rezystancją szeregową (ESR) równą 100mΩ, dostarczające maksymalnie 1,1A prądu ciągłego i 15,3A prądu szczytowego. Jego łączna pojemność magazynowania energii wynosi 293mWh.

Dzięki połączeniu pojemności, wydajności i specyfikacji fizycznych, superkondensatory hybrydowe firmy Eaton są dobrze przystosowane do dostarczania zasilania impulsowego dla łączy bezprzewodowych w inteligentnych licznikach samodzielnie lub równolegle z baterią. Są one również dobrym rozwiązaniem dla zasilania „podtrzymującego” podczas krótkich przerw lub spadków napięcia w procesach przemysłowych i programowalnych sterownikach logicznych, co pozwala na uniknięcie przestojów, które są często długie i mogą być spowodowane nawet krótkimi problemami z zasilaniem. Podobnie, podczas takich przerw w zasilaniu mogą one podtrzymywać ulotne pamięci podręczne, serwery i wielodyskowe macierze RAID w ośrodkach przetwarzania danych.

Podsumowanie

Dla projektantów systemów IoT superkondensatory hybrydowe są dobrą opcją magazynowania energii i dostarczania zasilania ze względu na ich wysoką gęstość energii, dużą liczbę użytecznych cykli i wyższe napięcie robocze. Rozwiązania tworzone przy użyciu tych superkondensatorów wymagają mniejszej liczby ogniw o mniejszej objętości w porównaniu ze standardowymi superkondensatorami, lepiej spełniając również wymagania dotyczące temperatury i trwałości niż same baterie. Omawiane komponenty hybrydowe eliminują trudne kompromisy i ułatwiają inżynierom-projektantom sprostanie wyśrubowanym celom projektowym.

Rekomendowane artykuły

1. Superkondensatory hybrydowe 3,8V dużej mocy - seria HS
2. Superkondensatory hybrydowe dużej mocy osiągają znacznie wyższe gęstości energii niż standardowe rozwiązania
3. Superkondensator hybrydowy HS - informacje o produkcie
4. Omówienie technologii superkondensatorów hybrydowych (wideo)