Utilizați dispozitive hibride pentru a profita atât de beneficiile bateriilor, cât și de cele ale supercondensatoarelor pentru alimentarea proiectelor IoT

Proiectanții de produse pentru aplicații care variază de la noduri Internet of Things (IoT) la scară mică, urmărirea resurselor și contorizarea inteligentă, până la cele mai mari, cum ar fi alimentarea de rezervă a echipamentelor și raportarea stării, necesită din ce în ce mai mult o sursă independentă de energie reîncărcabilă. În mod obișnuit, opțiunile lor au fost limitate la o baterie electrochimică, de obicei bazată pe chimia ionilor de litiu (Li), sau la un condensator electric în strat dublu (EDLC), adesea denumit supercondensator. Problema este că, indiferent dacă este utilizată singură sau în combinație, fiecare tehnologie prezintă anumite limitări, ceea ce obligă dezvoltatorii să echilibreze capacitățile și limitările fiecăreia în funcție de obiectivele de proiectare.

Aceste obiective, în special în cazul aplicațiilor IoT de joasă putere și al aplicațiilor IoT industrial (IIoT), includ, de obicei, fiabilitatea, durata lungă de funcționare, eficiența, densitatea energetică și ușurința de utilizare, ceea ce duce la un proces de proiectare și integrare mai simplu, la un timp de dezvoltare mai scurt și la costuri mai mici ale proiectului. Deși este perfect fezabil să se utilizeze atât Li-ion, cât și EDLC împreună pentru a atinge aceste obiective, proiectarea și optimizarea pentru ambele abordări poate fi un efort complex. O abordare integrată ar putea fi mai potrivită.

Acest articol analizează cerințele de proiectare pentru alimentarea IoT și tehnologiile din spatele bateriilor electrochimice și EDLC. Apoi, se prezintă o abordare alternativă sub forma unor componente hibride de stocare a energiei care combină atributele bateriilor și ale EDLC-urilor într-un singur pachet. Articolul va prezenta exemple de dispozitive de la Eaton – Electronics Division și va discuta caracteristicile și aplicațiile acestora.

Sistemele IoT necesită putere redusă și o durată de funcționare lungă

În ultimii ani s-a înregistrat o creștere extraordinară a aplicațiilor cu consum redus de energie și ciclu de funcționare redus, care pot funcționa cu surse de energie relativ mici. Deși circuitele din aceste dispozitive au curenți de funcționare în mod activ care variază de la miliamperi la amperi, dispozitivele prezintă adesea o funcționare extinsă în modurile de inactivitate profundă care necesită, de obicei, doar microamperi. Utilizarea în aceste dispozitive a tehnologiilor wireless cu consum redus de energie, cu viteză redusă și ciclu de funcționare redus, cum ar fi LoRaWAN sau Bluetooth de energie redusă (BLE), contribuie, de asemenea, la minimizarea consumului de energie.

De obicei, pentru aceste condiții de funcționare, proiectanții au luat în considerare două tehnologii de stocare a energiei: diferite variante ale bateriei Li-ion sau ale supercondensatorului. Fiecare dintre acestea vine cu anumite compromisuri în ceea ce privește capacitatea și densitatea energetică, ciclurile de viață, tensiunea la borne, autodescărcarea, intervalul de temperatură de funcționare, performanța la rate de descărcare scăzute și ridicate și alți factori.

Principalele diferențe între tehnologiile de stocare

Pe scurt, indiferent dacă este o celulă primară (nereîncărcabilă) sau secundară (reîncărcabilă), o baterie se bazează pe principii electrochimice. O baterie pe bază de litiu conține un anod de grafit și un catod de oxid metalic, cu un electrolit intercalat care este, de obicei, lichid, dar care poate fi solid în unele aplicații. Durata de viață a celulelor reîncărcabile este limitată, de obicei, la câteva mii de cicluri de încărcare/descărcare din cauza diferitelor forme de degradare internă.

În plus, bateriile necesită o gestionare sofisticată a celulelor și a acumulatorului pentru a maximiza durata de funcționare, prevenind în același timp probleme precum supraîncărcarea, avalanșa termică sau alte condiții de defecțiune care pot duce la performanță scăzută, distrugerea celulelor sau chiar la incendiu. Pentru proiectanți, profilul de descărcare relativ plat al acestor baterii simplifică implementarea circuitelor (Figura 1).

Figura 1: profilul ciclului de descărcare a unei celule Li-ion tipice arată o tensiune de ieșire aproape constantă până când celula este aproape complet descărcată. (Sursă imagine: Eaton – Electronics Division)

În schimb, EDLC-urile stochează energia prin intermediul unui proces fizic, nu printr-o reacție chimică. Aceste dispozitive sunt simetrice, cu electrozi de carbon activat atât pe partea anodului, cât și pe cea a catodului. Încărcarea și descărcarea acestora sunt procese electrostatice, fără reacții chimice, iar durata de viață a acestora este, practic, nelimitată. Spre deosebire de baterii, tensiunea la borne scade liniar, ca funcție a energiei furnizate (Figura 2).

Figura 2: spre deosebire de o celulă Li-ion, tensiunea de ieșire a unui supercondensator scade constant pe măsură ce pierde din sarcina stocată. (Sursă imagine: Eaton – Electronics Division)

Tehnologia EDLC este o dezvoltare relativ nouă în lumea componentelor pasive. Chiar și în anii '50 și '60, presupunerea convențională era că un condensator de numai un farad ar fi de mărimea unei camere. În schimb, cercetările în domeniul materialelor și al tehnologiilor de suprafață au condus la noi structuri și tehnici de fabricare și, în cele din urmă, la componenta numită supercondensator, care furnizează zeci și chiar sute de farazi într-un pachet de dimensiuni comparabile cu alte dispozitive pasive de bază.

Opțiunile de topologii vin cu diferite compromisuri

Ca urmare a diferențelor de proiectare și de performanță de bază dintre baterii și EDLC-uri, proiectanții trebuie să decidă dacă să utilizeze doar un singur dispozitiv de stocare a energiei sau să le combine pe amândouă. Dacă aleg să folosească o combinație, trebuie să aleagă între diverse topologii, fiecare dintre acestea având propriile compromisuri și implicații în ceea ce privește performanța (Figura 3).

Figura 3: proiectanții pot combina un supercondensator și o baterie în trei topologii comune: (de sus) în paralel, ca unități independente sau combinate prin intermediul unui controler/regulator. (Sursă imagine: Eaton – Electronics Division)

• Abordarea paralelă este cea mai simplă, dar utilizarea supercondensatorului nu este optimă, iar tensiunea de ieșire a acestuia este direct legată de tensiunea bateriei.
• Utilizarea unei baterii și a unui supercondensator ca unități independente funcționează cel mai bine atunci când există o sarcină de bază necritică și o sarcină critică separată, deoarece oferă energie independentă pentru fiecare dintre ele, dar această abordare nu oferă avantajul niciunui fel de sinergie între unitățile separate.
• Aranjamentul inteligent combină capacitățile fiecărei surse de energie și maximizează atât timpul de funcționare, cât și durata de viață a ciclului, dar necesită componente de gestionare suplimentare, cum ar fi un controler și reglarea c.c. - c.c. între cele două surse și sarcină; această topologie este cel mai frecvent utilizată în cazul unităților de alimentare pentru transport.

Atunci când se utilizează topologii de acest tip, alegerea unei baterii și a unui supercondensator nu este o decizie de tipul „fie una, fie alta”. Proiectanții pot alege să le folosească pe amândouă, dar utilizarea combinată a unei baterii și a unui supercondensator îl obligă pe proiectant să găsească echilibrul optim între diferitele caracteristici ale fiecăruia.

Vestea bună este că, datorită unei componente inovatoare, nu mai este nevoie să ne confruntăm cu dilema „și/sau” atunci când alegem să folosim baterii, supercondensatoare sau ambele. O familie de componente hibride de stocare a energiei de la Eaton – Electronics Division, combină atributele ambelor opțiuni într-un singur pachet, eliminând nevoia de a face compromisuri.

Argumente pentru supercondensatoarele hibride

Supercondensatoarele hibride combină structurile de bază atât ale bateriilor, cât și ale supercondensatoarelor într-o singură unitate fizică. Aceste componente hibride nu sunt doar o simplă împachetare a unei perechi distincte de baterii și supercondensatoare într-o carcasă comună. În schimb, acestea sunt surse de energie care îmbină chimia unei baterii cu fizica unui supercondensator într-o singură structură. Ca urmare, aceste dispozitive hibride depășesc neajunsurile separate ale bateriilor și ale supercondensatoarelor, oferind în același timp beneficii clare dezvoltatorului în ceea ce privește îndeplinirea cerințelor de proiectare.

Supercondensatoarele hibride sunt dispozitive asimetrice alcătuite dintr-un anod de grafit dopat cu Li și un catod de carbon activat. Deși încărcarea se face în principal pe cale electrochimică, aceasta are loc la o adâncime semnificativ mai mică în comparație cu bateria Li-ion.

Printre alte atribute, această combinație de tehnologii are ca rezultat un număr foarte mare de cicluri de funcționare (un minim de 500.000 de cicluri este tipic) și o reacție foarte rapidă la viteze mari de descărcare (Figura 4).

Figura 4: supercondensatorul hibrid depășește limitările ciclului și ratei de încărcare/descărcare ale unei baterii, printre alte avantaje ale acestuia. (Sursă imagine: Eaton – Electronics Division)

Ca un beneficiu suplimentar, nu se utilizează oxizi metalici și, prin urmare, aceste supercondensatoare hibride nu prezintă niciun risc de incendiu sau avalanșă termică. Caracteristicile de ieșire în funcție de nivelul de încărcare sunt, de asemenea, compatibile cu necesitățile sistemelor de joasă tensiune și putere redusă (Figura 5).

Figura 5: profilul de descărcare la ieșire al supercondensatorului hibrid se situează între cel al unei baterii și cel al unui supercondensator standard. (Sursă imagine: Eaton – Electronics Division)

Ca și în cazul tuturor componentelor și abordărilor de proiectare, fiecare soluție de stocare a energiei oferă compromisuri în ceea ce privește performanța și capacitățile. Tabelul 1 prezintă atributele pozitive („+”) și negative („-”) ale acestora în raport unul cu celălalt, pentru cazuri tipice.

Tabelul 1: o comparație a caracteristicilor tipice ale unei baterii, ale unui supercondensator și ale unui supercondensator hibrid arată că hibridul combină cele mai bune caracteristici ale ambelor. (Sursă tabel: autorul, folosind date de la Eaton – Electronics Division)

Inginerii experimentați știu că nicio abordare nu este perfectă și, de multe ori, un singur atribut pozitiv al uneia dintre soluțiile disponibile este atât de important încât prevalează asupra oricărei alte abordări. Prin urmare, cerințele sistemului vor dicta soluția finală.

Supercondensatoarele hibride extind gama de farazi/capacitate energetică

Spre deosebire de unele componente specializate care oferă doar un număr limitat de specificații, aceste supercondensatoare hibride sunt disponibile într-o gamă destul de largă de performanță. De exemplu, la capătul inferior al gamei se află HS1016-3R8306-R, o unitate de 30 F din seria HS de celule cilindrice pentru supercondensatoare hibride de la Eaton, care măsoară 18 mm în lungime și 10,5 mm în diametru (Figura 6).

Figura 6: HS1016-3R8306-R Eaton este o unitate de 30 F din seria HS de celule cilindrice pentru supercondensator hibrid. (Sursă imagine: Eaton – Electronics Division)

HS1016-3R8306-R are o tensiune de funcționare de 3,8 volți, iar specificația sa esențială pentru ESR inițial este de 550 mΩ, ceea ce duce la o densitate de putere destul de mare – de până la opt ori mai mare decât cea a unui supercondensator standard. Acesta poate furniza un curent continuu de 0,15 A (până la un maxim de 2,7 A) și are o capacitate de stocare a energiei de 40 mWh. Ca și în cazul tuturor membrilor din seria HS, este recunoscut de UL, simplificând foarte mult procesul general de aprobare a produsului.

Pentru un supercondensator hibrid de capacitate mai mare din aceeași familie, HS1625-3R8227-R este un dispozitiv cilindric de 220 F care măsoară 27 mm în lungime și 16,5 mm în diametru, cu un ESR de 100 mΩ care livrează până la 1,1 A curent continuu și 15,3 A curent de vârf. Capacitatea sa totală de stocare a energiei este de 293 mWh.

Datorită combinației lor de capacitate, performanță și specificații fizice, supercondensatoarele hibride Eaton sunt potrivite pentru furnizarea de energie autonomă pentru legături wireless în contoarele inteligente sau în paralel cu o baterie. De asemenea, acestea sunt potrivite pentru alimentarea cu energie în timpul întreruperilor de scurtă durată sau a căderilor de tensiune în procesele industriale și în controlerele logice programabile, evitând astfel întreruperile de funcționare care sunt, adesea, de lungă durată, și care pot fi provocate chiar și de o problemă de scurtă durată. În mod similar, acestea pot susține memoria cache volatilă, serverele și stocarea RAID multi-disc din centrele de date în timpul unor astfel de întreruperi de energie.

Concluzie

Pentru proiectanții de sisteme IoT, supercondensatoarele hibride reprezintă o opțiune bună pentru stocarea energiei și furnizarea de energie datorită densităților energetice ridicate, duratei lungi a ciclurilor de funcționare și tensiunii de lucru mai mari. Construite cu aceste supercondensatoare hibride, proiectele pot necesita mai puține celule și un volum mai mic în comparație cu supercondensatoarele standard, respectând în același timp cerințele de temperatură și durată de viață mai bine decât bateriile utilizate individual. Prin eliminarea compromisurilor dificile, aceste componente hibride permit inginerilor proiectanți să îndeplinească mai ușor obiectivele dificile ale proiectelor.

Recomandat

1. Supercondensatoare hibride de mare putere, de 3,8 V - Seria HS
2. Supercondensatoarele hibride de mare putere ating densități energetice semnificativ mai mari decât soluțiile standard
3. Cartea albă a supercondensatoarelor hibride HS
4. Prezentarea generală a tehnologiei supercondensatoarelor hibride (video)