Bruk hybride enheter til å bringe fordelene av både batterier og superkondensatorer til tingenes Internett (IoT)-konstruksjoner

Utviklere av produkter for installasjoner som spenner fra tingenes Internett (IoT)-noder, sporing av ressurser og smart måling i liten skala, til større installasjoner som reservestrøm for utstyr og statusrapportering, krever i økende grad en uavhengig kilde med oppladbar kraft. Frem til nå har valgene deres vært begrenset til et elektrokjemisk batteri, vanligvis basert på litium(Li)-ionekjemi, eller en elektrisk dobbeltsidekondensator (EDLC – electric double-layer capacitor), som ofte refereres til som superkondensator eller «supercap». Problemet er at uansett om de brukes alene eller i kombinasjon, representerer hver av disse teknologiene visse begrensninger. Utviklere må balansere egenskapene og begrensningene til hver teknologi i henhold til konstruksjonsmålene som er satt.

Disse målene omfatter som regel pålitelighet, lang levetid, effektivitet, energitetthet og brukervennlighet, spesielt for konstruksjoner relatert til tingenes Internett (IoT) og industrielle tingenes Internett (IIoT), noe som fører til enklere utviklings- og integrasjonsprosess, kortere utviklingstid og lavere prosjektkostnader. Selv om det er fullt mulig å bruke både litium-ion og EDLC-er sammen for å oppnå disse målene, kan konstruksjon og optimalisering for begge disse metodene være en kompleks affære. En integrert tilnærming kan være mer hensiktsmessig.

Denne artikkelen tar for seg kravene relatert til tingenes Internett (IoT)-strømkonstruksjoner og teknologiene bak elektrokjemiske batterier og EDLC-er. Deretter introduseres en alternativ tilnærming i form av hybride energilagringskomponenter som kombinerer egenskapene til batterier og EDLC-er i en samlet pakke. Artikkelen introduserer eksempelenheter fra Eaton – Electronics Division og drøfter egenskaper og bruksområder for disse.

Tingenes Internett (IoT)-systemer krever lavt strømforbruk og lang levetid

De siste årene har vi opplevd en enorm vekst i laveffektprogrammer med lave driftssykluser som kan drives av relativt små strømkilder. Selv om kretsene i disse enhetene har driftsstrømmer i aktiv modus som varierer fra milliampere til ampere, har disse enhetene ofte utvidet drift i dvalemodus, som vanligvis kun krever mikroampere. Bruken av disse enhetene med trådløs tilkobling med lav effekt, lav hastighet og lav driftssyklus, for eksempel LoRaWAN eller Bluetooth med lavenergi (BLE – Bluetooth low energy), bidrar også til å minimere strømforbruket.

For disse driftsforholdene har konstruktører vanligvis vurdert to energilagringsteknologier: en variant av litium-ionbatteriet eller en superkondensator. Hver av disse har kompromisser i form av energikapasitet og -tetthet, levetidssykluser, terminalspenning, selvutladning, driftstemperaturområde, ytelse ved lave og høye utladningshastigheter og andre faktorer.

Viktige forskjeller i lagringsteknologier

Kort sagt, enten det er snakk om en primær (ikke-oppladbar) eller sekundær (oppladbar) celle, er et batteri basert på elektrokjemiske prinsipper. Et litiumbasert batteri inneholder en grafittanode og en metalloksidkatode, med en mellomliggende elektrolytt som vanligvis er flytende, men som kan være fast i visse implementasjoner. Levetiden til oppladbare celler er som regel begrenset til flere tusen lade-/utladningssykluser på grunn av ulike typer intern nedbrytning.

I tillegg krever batterier avansert celle- og batteripakkestyring for å maksimere levetiden og samtidig forhindre problemer som overlading, termisk rømling eller andre feiltilstander som kan føre til forringet ytelse, celleskade eller til og med brann. Med den relativt flate utladningsprofilen til disse batteriene, forenkles implementeringen av kretsen for konstruktører (figur 1).

Figur 1: Utladningssyklusprofilen til en typisk litium-ioncelle viser en nesten konstant utgangsspenning helt til cellen er nær full utladning. (Bildekilde: Eaton – Electronics Division)

EDLC-er lagrer derimot energi ved hjelp av en fysisk prosess i stedet for en kjemisk reaksjon. Disse enhetene er symmetriske, og de har aktiverte karbonelektroder på både anode- og katodesiden. Ladning og utladning er elektrostatiske prosesser uten noen kjemisk reaksjon, og sykluslevetiden deres er praktisk talt ubegrenset. I motsetning til batterier, synker terminalspenningen til disse lineært som en funksjon av den leverte energien (figur 2).

Figur 2: I motsetning til en litium-ioncelle, synker utgangsspenningen til en superkondensator jevnt etter hvert som den frigjør lagret ladning. (Bildekilde: Eaton – Electronics Division)

EDLC-teknologien er en relativt ny utvikling innen passive komponenter. Selv frem til1950- og 1960-tallet var det allmenn akseptert at en kondensator på bare én farad ville være på samme størrelse som et rom. I stedet førte forskning på materialer og overflateteknologi til nye strukturer og produksjonsteknikker, og til slutt til det som nå kalles superkondensatoren. Denne oppnådde flere titalls, og til og med hundrevis, av farader i en pakke som hadde lignende størrelse som andre passive komponenter.

Topologialternativer har kompromisser

Som et resultat av de grunnleggende konstruksjons- og ytelsesforskjellene mellom batterier og EDLC-er, må konstruktører bestemme seg for om de ønsker å bruke bare én energilagringsenhet eller kombinere begge. Hvis de velger å bruke en kombinasjon, må de deretter velge mellom ulike topologier, der hver av disse har sine egne respektive kompromisser og konsekvenser med tanke på ytelse (figur 3).

Figur 3: Konstruktører kan kombinere en superkondensator og et batteri i tre vanlige topologier: (fra toppen) parallelt, som uavhengige enheter eller kombinert via en styringsenhet/regulator. (Bildekilde: Eaton – Electronics Division)

• Den parallelle tilnærmingen er den enkleste, men bruken av superkondensatoren er ikke optimal, og utgangsspenningen er direkte knyttet til batterispenningen.
• Bruken av et batteri og en superkondensator som uavhengige enheter fungerer best når det er en ikke-kritisk grunnlast og en separat kritisk last, da dette forsyner uavhengig strøm til hver. Denne tilnærmingen gir imidlertid ikke noen form for synergi mellom de separate enhetene.
• Det smarte arrangementet kombinerer kapasitetene til hver energikilde og maksimerer både driftstid og sykluslevetid, men krever ytterligere styringskomponenter, for eksempel styreenhet og DC-DC-regulering mellom de to kildene og lasten. Denne topologien brukes vanligvis med transportrelaterte strømenheter.

Når topologier som disse benyttes, er ikke valget av batteri og superkondensator en «enten/eller»-avgjørelse. Konstruktører kan velge å bruke begge, men når et batteri og en superkondensator brukes i kombinasjon med hverandre, må konstruktøren finne den optimale balansen mellom de forskjellige egenskapene til hver, noe som kan være utfordrende.

Den gode nyheten er at det, takket være en innovativ komponent, ikke er noen grunn til å streve med et «og/eller»-dilemma når du velger om du vil bruke batterier, superkondensatorer eller begge deler. En familie av hybride energilagringskomponenter fra Eaton – Electronics Division kombinerer egenskapene til begge i én samlet pakke, noe som fjerner behovet for å gjøre kompromisser.

Fordelen med hybride superkondensatorer

Hybride superkondensatorer kombinerer de underliggende strukturene til både batterier og superkondensatorer i én enkelt fysisk enhet. Disse hybridkomponentene er ikke bare en enkel pakke med et distinkt batteri- og superkondensatorpar i et felles hus. De er istedet energikilder som slår sammen kjemien til et batteri med fysikken til en superkondensator i én samlet struktur. Resultatet av dette er at disse hybride enhetene får bukt med de separate manglene til batterier og superkondensatorer, samtidig som de leverer tydelige fordeler for utvikleren når det kommer til å oppfylle konstruksjonskrav.

Hybride superkondensatorer er asymmetriske enheter som omfatter en litium-dopet grafittanode og en aktivert karbonkatode. Selv om ladebevegelsen hovedsakelig gjøres elektrokjemisk, er den på en betydelig lavere dybde sammenlignet med litium-ionbatteriet.

Denne kombinasjonen av teknologier resulterer blant annet i en svært høy sykluslevetid (minimum 500 000 sykluser er typisk) og svært rask respons ved høye utladningshastigheter (figur 4).

Figur 4: En av egenskapene til den hybride superkondensatoren er at den får bukt med lade-/utladningssyklusen og hastighetsbegrensningene til batterier. (Bildekilde: Eaton – Electronics Division)

En ekstra fordel er at ingen metalloksider brukes, noe som derfor fører til at disse hybride superkondensatorene ikke utgjør noen risiko for brann eller termisk rømling. Utgangsegenskaper kontra ladenivå er også kompatible med behovene til lavspente laveffektsystemer (figur 5).

Figur 5: Profil for utgangsutladning til den hybride superkondensatoren ligger mellom profilen til et batteri og profilen til en standard superkondensator. (Bildekilde: Eaton – Electronics Division)

I likhet med alle tilnærminger til komponenter og konstruksjoner, har hver av disse energilagringsløsningene kompromisser når det gjelder ytelse og kapasitet. Tabell 1 viser de positive («+») og negative («–») egenskapene til disse i forhold til hverandre, for typiske tilfeller.

Tabell 1: En sammenligning av de typiske egenskapene til et batteri, en superkondensator og en hybrid superkondensator viser at den hybride versjonen kombinerer det beste av begge. (Tabellkilde: Forfatteren, ved hjelp av data fra Eaton – Electronics Division)

Erfarne teknikere vet at det ikke finnes én enkelt tilnærming som er perfekt, og mange ganger er én enkelt positiv egenskap for en av de tilgjengelige løsningene så viktig at den overstyrer alle de andre tilnærmingene. Systemkrav vil derfor diktere den endelige løsningen.

Hybride superkondensatorer spenner over farad/energikapasitetsområde

I motsetning til noen spesialiserte komponenter som bare tilbyr et begrenset antall spesifikasjoner, dekker disse hybride superkondensatorene et ganske bredt ytelsesområde. For eksempel, i den nedre enden av området finner vi HS1016-3R8306-R, en 30 F-enhet i Eatons HS-serie med sylindriske hybride superkondensatorceller, som er 18 mm lange og har en diameter på 10,5 mm (figur 6).

Figur 6: Eaton HS1016-3R8306-R er en 30 F-enhet i HS-serien med sylindriske hybride superkondensatorceller. (Bildekilde: Eaton – Electronics Division)

HS1016-3R8306-R har en 3,8 volts driftsspenning, og dens kritiske spesifikasjon for innledende ESR er kun 550 mΩ, noe som resulterer i ganske høy effekttetthet – så mye som åtte ganger større enn verdien til en standard superkondensator. Den kan gi 0,15 A kontinuerlig strøm (opptil 2,7 A maksimum) og har en klassifisering for lagret energikapasitet på 40 mWh. I likhet med alle medlemmer i HS-serien, er den UL-godkjent, noe som forenkler den generelle produktgodkjenningsprosessen kraftig.

En hybrid superkondensator med større kapasitet i samme familie, er HS1625-3R8227-R, en sylindrisk 220 F-enhet som er 27 mm lang og 16,5 mm i diameter, med en ESR på 100 mΩ som leverer opptil 1,1 A kontinuerlig og 15,3 A toppstrøm. Dens totale energilagringskapasitet er 293 mWh.

Med kombinasjonen av kapasitet, ytelse og fysiske spesifikasjoner, er Eatons hybride superkondensatorer godt egnet til å gi frittstående pulsstrøm til trådløse koblinger i smartmålere eller parallelt med et batteri. De er også godt egnet for «gjennomkjøring» (ride-through)-strøm under korte strømbrudd eller delvise strømbrudd i industrielle prosesser og programmerbare logiske styringer, og unngår dermed den resulterende og ofte lange nedetiden som selv et kort strømproblem kan forårsake. På samme måte kan de støtte volatilt hurtigbufferminne, servere og RAID-flerplatelagring i datasentre under slike strømbrudd.

Konklusjon

For konstruktører av tingenes Internett (IoT)-systemer, er hybride superkondensatorer et godt alternativ når det kommer til energilagring og strømforsyning takket være den høye energitettheten, lange sykluslevetiden og høyere arbeidsspenningen. Når konstruksjoner er bygget med disse hybride superkondensatorene, kan de kreve færre celler og mindre volum sammenlignet med standard superkondensatorer, samtidig som de oppfyller temperatur- og levetidskravene bedre enn kun batterier alene. Ved å kvitte seg med vanskelige kompromisser, gjør disse hybridkomponentene det enklere for teknikere å møte utfordrende prosjektmål.

Anbefalt

1. Hybride superkondensatorer på 3,8 V med høy effekt– HS-serien
2. Hybride superkondensatorer med høy effekt oppnår betydelig høyere energitetthet sammenlignet med standardløsninger
3. Offentlig utredning for HS hybrid superkondensator
4. Hybrid superkondensator teknologioversikt (video)