Získejte k napájení návrhů IoT použitím hybridního řešení výhody jak baterií, tak superkondenzátorů

Konstruktéři produktů pro aplikace od uzlů internetu věcí (IoT) malého rozsahu, sledování zařízení a inteligentního měření až po větší aplikace, jako je záložní napájení zařízení a hlášení stavu, vyžadují stále častěji nezávislý zdroj dobíjecí energie. Typicky se jejich výběr omezuje na elektrochemickou baterii, obvykle založenou na chemických vlastnostech lithiových (Li) iontů, nebo na elektrický kondenzátor s dvojitou vrstvou (EDLC), často označovaný jako superkondenzátor nebo superkapacitor. Problém spočívá v tom, že ať už jsou tato řešení použita samostatně, nebo v kombinaci, představuje každá technologie určitá omezení, která vyžadují, aby vývojáři vyvážili funkce a omezení každé z nich se svými cíli návrhu.

Mezi tyto cíle, zejména pro aplikace IoT s nízkou spotřebou energie a aplikace průmyslového IoT (IIoT), patří obvykle spolehlivost, dlouhá životnost, účinnost, hustota energie a snadné používání, což vede k jednoduššímu procesu designu a integrace, kratší době vývoje a nižším nákladům na projekt. Přestože lze k dosažení těchto cílů jednoduše použít společně lithium-iontovou baterii a kondenzátor EDLC, design a optimalizace obou prvků může být poměrně komplexní záležitostí. Vhodnější může být integrovaný přístup.

Tento článek pojednává o požadavcích návrhů napájení IoT a technologií, které souvisejí s elektrochemickými bateriemi a kondenzátory EDLC. Poté zde představíme alternativní přístup v podobě součástek hybridního řešení pro skladování energie, které kombinuje vlastnosti baterií a kondenzátorů EDLC v jednom balíčku. V článku také představíme ukázková zařízení od společnosti Eaton — Electronics Division a probereme jejich vlastnosti a použití.

Požadavky systémů IoT na nízkou spotřebu energie a dlouhou životnost

V posledních několika letech došlo k obrovskému nárůstu aplikací s nízkou spotřebou energie a slabým provozním cyklem, které mohou fungovat z relativně malých zdrojů energie. Ačkoli obvody v těchto zařízeních mají v aktivním režimu provozní proud v řádu miliampérů až ampérů, většinu svého provozu jsou tato zařízení v režimu hlubokého spánku, ve kterém mají spotřebu obvykle jen v řádu mikroampérů. Použití bezdrátových technologií s nízkou spotřebou energie, nízkou rychlostí a slabým provozním cyklem, jako jsou technologie LoRaWAN nebo BLE, dále pomáhá minimalizovat v těchto zařízeních spotřebu energie.

Pro tyto provozní podmínky konstruktéři obvykle zvažovali dvě technologie skladování energie: nějakou variantu lithium-iontové baterie nebo superkondenzátor. Každá z nich nabízí určité kompromisy v energetické kapacitě a hustotě, životních cyklech, koncovém napětí, samovybíjení, rozsahu provozních teplot, výkonu při nízkých a vysokých rychlostech vybíjení a v dalších faktorech.

Klíčové rozdíly v technologiích skladování

Stručně řečeno, ať už se jedná o primární (nenabíjecí) nebo sekundární (nabíjecí) článek, baterie je založena na elektrochemických principech. Baterie na základě lithia obsahuje grafitovou anodu a katodu z oxidu kovu s vloženým elektrolytem, který je obvykle kapalný, ale někdy může být i pevný. Životnost nabíjecích článků je kvůli různým formám vnitřní degradace obvykle omezena na několik tisíc cyklů nabití/vybití.

Baterie navíc vyžadují sofistikovanou správu článků, aby se maximalizovala provozní životnost a zároveň se předešlo problémům, jako je přebíjení, tepelný únik nebo jiné poruchové stavy, které mohou vést ke snížení výkonu, zničení článků nebo dokonce i k požáru. Pro konstruktéry zjednodušuje relativně plochý profil vybíjení těchto baterií implementaci obvodu (obrázek 1).

Obrázek 1: Profil vybíjecího cyklu typického lithium-iontového článku ukazuje téměř konstantní výstupní napětí, dokud se článek téměř nevybije. (Zdroj obrázku: společnost Eaton – Electronics Division)

Naproti tomu kondenzátory EDLC ukládají energii spíše fyzikálním procesem než chemickou reakcí. Jedná se o symetrická zařízení s elektrodami z aktivního uhlí na obou stranách anody a katody. Jejich nabíjení a vybíjení jsou elektrostatické procesy bez chemických reakcí a jejich životnost je prakticky neomezená. Na rozdíl od baterií klesá jejich svorkové napětí lineárně v závislosti na dodávané energii (obrázek 2).

Obrázek 2: Na rozdíl od lithium-iontového článku výstupní napětí superkondenzátoru postupně klesá, protože se snižuje velikost uloženého náboje. (Zdroj obrázku: společnost Eaton – Electronics Division)

Technologie EDLC prošla ve světě pasivních součástek relativně novým vývojem. Dokonce ještě v padesátých a šedesátých letech minulého století bylo obvyklé, že kondenzátor s kapacitou i jen jednoho faradu měl velikost celé místnosti. Výzkum materiálů a povrchových technologií však vedl k novým strukturám a výrobním technikám a nakonec k tomu, co je nazýváno superkondenzátorem a poskytuje kapacitu desítek až stovek faradů v balíčku srovnatelném velikostí s jinými základními pasivními součástkami.

Možnosti topologie a jejich kompromisy

V důsledku základních konstrukčních a výkonových rozdílů mezi bateriemi a kondenzátory EDLC se musí konstruktéři rozhodnout, zda ke skladování energie použít pouze jedno zařízení nebo jejich kombinaci. Pokud se rozhodnou pro jejich kombinaci, musí se poté rozhodnout mezi různými topologiemi. Každá z nich má přitom svá omezení a důsledky pro výkon (obrázek 3).

Obrázek 3: Konstruktéři mohou kombinovat superkondenzátor a baterii ve třech běžných topologiích: (shora) paralelně, jako nezávislé jednotky nebo kombinovaně pomocí řídicí jednotky / regulátoru. (Zdroj obrázku: společnost Eaton – Electronics Division)

• Paralelní přístup je nejjednodušší, ale použití superkondenzátoru není optimální a jeho výstupní napětí je přímo vázáno na napětí baterie.
• Použití baterie a superkondenzátoru jako samostatných jednotek funguje nejlépe, když dochází k nekritickému základní zatížení a samostatnému kritické zatížení, protože poskytuje nezávislé napájení pro každou z jednotek. Tento přístup nenabízí žádnou výhodu jakéhokoli druhu synergie mezi samostatnými jednotkami.
• Inteligentní uspořádání kombinuje vlastnosti obou zdrojů energie a maximalizuje jak dobu provozu, tak životnost. Vyžaduje však další součástky pro správu, jako je řídicí jednotka a DC-DC regulátor mezi těmito dvěma zdroji a zátěží. Tato topologie se nejčastěji používá u energetických jednotek souvisejících s přepravou.

Při použití topologií, jako jsou tyto, není volba baterie a superkondenzátoru rozhodnutím „buď/nebo“. Konstruktéři se mohou rozhodnout použít obojí, ale současné použití baterie a superkondenzátoru vyžaduje, aby konstruktér čelil výzvě najít optimální rovnováhu mezi různými vlastnostmi každého z těchto zdrojů.

Dobrou zprávou je, že díky inovativní součásti není nutné při výběru, zda použít baterie, superkondenzátory nebo obojí, čelit dilematu „a/nebo“. Řada hybridních součástek pro skladování energie od společnosti Eaton – Electronics Division kombinuje vlastnosti obou řešení v jednom balíčku a eliminuje tak nutnost kompromisu.

Hybridní superkapacitory

Hybridní superkondenzátory kombinují základní struktury jak baterií, tak superkondenzátorů v jednom fyzickém zařízení. Tyto hybridní součástky nejsou jen jednoduchým balením páru samostatné baterie a superkondenzátoru do společného krytu. Místo toho jsou to zdroje energie, které spojují chemii baterie s fyzikou superkondenzátoru v jedné struktuře. Výsledkem je, že tato hybridní zařízení překonávají nedostatky samostatných baterií a superkapacitorů a zároveň poskytují vývojářům jasné výhody při plnění požadavků na návrh.

Hybridní superkondenzátory jsou asymetrická zařízení obsahující grafitovou anodu s dopovaným lithiem a katodu z aktivního uhlí. Přestože k pohybu náboje dochází hlavně na elektrochemickém základě, je ve srovnání s lithium-iontovou baterií výrazně nižší.

Tato kombinace technologií má mimo jiné za následek velmi vysoký počet cyklů (typicky minimálně 500 000 cyklů) a velmi rychlou odezvu na vysoké rychlosti vybíjení (obrázek 4).

Obrázek 4: Hybridní superkondenzátor překonává baterii kromě dalších výhod i v počtu cyklů nabíjení/vybíjení a v omezeních rychlosti baterie. (Zdroj obrázku: společnost Eaton – Electronics Division)

Další výhodou je, že se nepoužívají žádné oxidy kovů, a proto tyto hybridní superkapacitory nepředstavují žádné riziko požáru ani tepelného úniku. Porovnání výstupních charakteristik a úrovně nabití je také kompatibilní s potřebami nízkonapěťových a nízkoenergetických systémů (obrázek 5).

Obrázek 5: Profil vybíjení hybridního superkondenzátoru se nachází mezi profilem baterie a standardním superkondenzátorem. (Zdroj obrázku: společnost Eaton – Electronics Division)

Stejně jako u všech součástek a přístupů k návrhu nabízí jednotlivá řešení pro skladování energie kompromisy, co se týče výkonu a funkcí. V tabulce 1 jsou uvedeny pozitivní („+“) a negativní („−“) vlastnosti ve vzájemných vztazích pro typické případy.

Tabulka 1: Porovnání typických charakteristik baterie, superkondenzátoru a hybridního superkondenzátoru ukazuje, že hybridní řešení kombinuje to nejlepší z obou možností. (Zdroj tabulky: autor s využitím údajů společnosti Eaton – Electronics Division)

Zkušení technici vědí, že neexistuje žádný jeden dokonalý přístup a že je častokrát jedna pozitivní vlastnost jednoho z dostupných řešení tak zásadní, že převyšuje všechny ostatní přístupy. Konečné řešení tedy budou určovat požadavky na systém.

Hybridní superkondenzátory mají široký rozsah energetické kapacity

Na rozdíl od některých specializovaných součástek, které nabízejí jen omezený rozsah specifikace, pokrývají tyto hybridní superkondenzátory poměrně široký rozsah výkonu. Na dolním konci rozsahu je například model HS1016-3R8306-R, 30F jednotka řady HS společnosti Eaton – válcových hybridních superkondenzátorových článků o délce 18 mm a průměru 10,5 mm (obrázek 6).

Obrázek 6: Model HS1016-3R8306-R – 30F zařízení řady HS válcových hybridních superkondenzátorových článků společnosti Eaton. (Zdroj obrázku: společnost Eaton – Electronics Division)

Model HS1016-3R8306-R nabízí provozní napětí 3,8 V a nízké počáteční ESR 550 mΩ, což má za následek poměrně vysokou hustotu výkonu – až osmkrát vyšší než u standardního superkondenzátoru. Může poskytovat nepřetržitý proud 0,15 A (maximálně do 2,7 A) a jeho kapacita uložené energie je 40 mWh. Stejně jako další modely řady HS je zařízení certifikováno laboratoří UL, což výrazně zjednodušuje celkový proces schvalování produktu.

Hybridním superkapacitorem s větší kapacitou stejné řady je HS1625-3R8227-R – válcové 220F zařízení o délce 27 mm a průměru 16,5 mm s ESR 100 mΩ dodávající nepřetržitý proud až 1,1 A a špičkový proud 15,3 A. Jeho celková kapacita pro skladování energie je 293 mWh.

Díky své kombinaci kapacity, výkonu a fyzických rozměrů jsou hybridní superkondenzátory Eaton velmi vhodné pro poskytování samostatného impulzního výkonu pro bezdrátová spojení v inteligentních měřičích nebo paralelně s baterií. Hodí se také pro překlenutí napájení během krátkých výpadků nebo snížení přívodu energie v průmyslových procesech a programovatelných logických řadičích, čímž se zabrání výsledným a často zdlouhavým prostojům, které může způsobit i jen krátký problém s napájením. Podobně mohou během takových výpadků napájení podporovat energeticky závislou mezipaměť, servery a vícediskové úložiště RAID v datových centrech.

Závěr

Pro konstruktéry systémů IoT jsou hybridní superkondenzátory dobrou volbou pro skladování a dodávání energie kvůli jejich vysoké hustotě energie, dlouhé životnosti a vyššímu pracovnímu napětí. Díky těmto hybridním superkondenzátorům mohou návrhy obsahovat méně článků a mít menší objem ve srovnání se standardními superkondenzátory a zároveň přitom lépe splňují požadavky na teplotu a životnost než samotné baterie. Odstraněním složitých kompromisů a omezení umožňují tyto hybridní součástky konstruktérům snáze plnit náročné cíle projektu.

Doporučeno

1. Hybridní vysoce výkonné 3,8V superkondenzátory – řada HS
2. Hybridní vysoce výkonné superkondenzátory dosahují výrazně vyšších hustot energie než standardní řešení
3. Průvodce hybridními superkondenzátory řady HS
4. Přehled technologie hybridních superkondenzátorů (video)