Brug hybrider til at give fordelene ved både batterier og superkondensatorer til IoT-design

Designere af produkter til applikationer, der spænder fra små IoT-noder (Internet of Things), aktivsporing og smart måling til større som backup af udstyr og statusrapportering, kræver i stigende grad en uafhængig kilde til genopladelig strøm. Typisk har deres valg været begrænset til et elektrokemisk batteri, normalt baseret på lithium (Li) ionkemi eller en elektrisk dobbeltlagskondensator (EDLC), ofte omtalt som superkapacitor eller superkapsel. Problemet er, at uanset om de anvendes alene eller i kombination, har hver teknologi visse begrænsninger, hvilket kræver, at udviklere afbalancerer hver enkelt kapacitet og begrænsninger i forhold til deres designmål.

Disse mål, især for IoT med lav effekt og Industrial IoT (IIoT) applikationer, inkluderer typisk pålidelighed, lang levetid, effektivitet, energitæthed og brugervenlighed, hvilket fører til en enklere design- og integrationsproces, kortere udviklingstid og lavere projektomkostninger. Selvom det er helt muligt at bruge både Li-ion og EDLC'er sammen for at nå disse mål, kan design og optimering til begge tilgange være en kompleks indsats. En integreret tilgang kan være mere passende.

Denne artikel diskuterer kravene til IoT-strømdesign og teknologierne bag elektrokemiske batterier og EDLC'er. Derefter introduceres en alternativ tilgang i form af hybrid energilagringskomponenter, der kombinerer attributterne til batterier og EDLC'er i en enkelt pakke. Artiklen introducerer eksempler på enheder fraEaton - Elektronikafdelingen og diskutere deres egenskaber og anvendelse.

IoT-systemer kræver lav effekt og lang levetid

De sidste par år har der været en enorm vækst i applikationer med lav effekt, lavt belastningscyklus, der kan fungere fra relativt små strømkilder. Selvom kredsløbet i disse enheder har driftsstrømme i aktiv tilstand, der spænder fra milliampere til forstærkere, har disse enheder ofte udvidet drift i dyb søvntilstande, der typisk kun kræver mikroampere. Brugen af disse enheder af trådløse teknologier med lav effekt, lav hastighed og lav-cyklus, såsom LoRaWAN eller Bluetooth low energy (BLE), hjælper også med at minimere strømforbruget.

Under disse driftsforhold har designere typisk overvejet to energilagringsteknologier: en eller anden variant af Li-ion-batteriet eller en superkondensator. Hver giver afvejninger i energikapacitet og tæthed, livscyklus, terminalspænding, selvafladning, driftstemperaturområde, ydeevne ved lave og høje udladningshastigheder og andre faktorer.

Vigtige forskelle i lagringsteknologier

Kort sagt, uanset om det er en primær (ikke-genopladelig) eller en sekundær (genopladelig) celle, er et batteri baseret på elektrokemiske principper. Et lithiumbaseret batteri indeholder en grafitanode og en metaloxidkatode med en indskudt elektrolyt, der normalt er flydende, men som kan være fast i nogle implementeringer. Levetiden for genopladelige celler er typisk begrænset til flere tusinde opladnings- / afladningscyklusser på grund af forskellige former for intern nedbrydning.

Derudover kræver batterier sofistikeret celle- og batteripakkehåndtering for at maksimere levetiden, mens de forhindrer problemer som overopladning, termisk løb eller andre fejltilstande, der kan resultere i forringet ydeevne, celledestruktion eller endda brand. For designere forenkler den relativt flade afladningsprofil for disse batterier kredsløbsimplementering (figur 1).

Figur 1: Udladningscyklusprofilen for en typisk Li-ion-celle viser en næsten konstant udgangsspænding, indtil cellen er nær fuld afladning. (Billedkilde: Eaton - Electronics Division)

I modsætning hertil lagrer EDLC'er energi ved hjælp af en fysisk proces snarere end en kemisk reaktion. Disse enheder er symmetriske med aktiverede kulelektroder på både anode- og katodesiden. Deres opladning og afladning er elektrostatiske processer uden kemisk reaktion, og deres cyklustid er praktisk talt ubegrænset. I modsætning til batterier falder deres terminalspænding lineært som en funktion af den leverede energi (figur 2).

Figur 2: I modsætning til en Li-ion-celle falder en superkondensators udgangsspænding støt, da den giver op til den lagrede opladning. (Billedkilde: Eaton - Electronics Division)

EDLC-teknologi er en relativt ny udvikling i verden af passive komponenter. Selv ind i 1950'erne og 1960'erne var konventionel visdom, at en kondensator til kun en farad ville være størrelsen på et rum. I stedet førte forskning i materialer og overfladeteknologier til nye strukturer og fabrikationsteknikker og til sidst til det, der blev kaldt superkondensatoren, hvilket gav tiere og endog hundreder af farader i en pakke, der var sammenlignelig i størrelse med andre basale passiver.

Topologimuligheder har afvejninger

Som et resultat af de grundlæggende forskelle i design og ydeevne mellem batterier og EDLC'er, skal designere beslutte, om de kun skal bruge en energilagringsenhed eller kombinere begge dele. Hvis de vælger at bruge en kombination, skal de beslutte blandt forskellige topologier, hver med deres respektive afvejninger og konsekvenser med hensyn til ydeevne (figur 3).

Figur 3: Designere kan kombinere en superkapacitor og et batteri i tre almindelige topologier: (fra toppen) parallelt som uafhængige enheder eller kombineret via en controller / regulator. (Billedkilde: Eaton - Electronics Division)

• Den parallelle tilgang er enklest, men brugen af superkondensatoren er ikke optimal, og dens udgangsspænding er direkte bundet til batterispændingen.
• Brug af et batteri og superkapacitor som uafhængige enheder fungerer bedst, når der er en ikke-kritisk basisbelastning og en separat kritisk belastning, da det giver uafhængig strøm til hver, men denne fremgangsmåde giver ikke fordelen ved nogen form for synergi mellem de separate enheder.
• Det smarte arrangement kombinerer hver energikildes muligheder og maksimerer både driftstid og cyklustid, men det kræver yderligere styringskomponenter såsom en controller og DC-DC-regulering mellem de to kilder og belastningen; denne topologi bruges mest med transportrelaterede kraftenheder.

Når du bruger topologier som disse, er valget af et batteri og en superkondensator ikke en ”enten / eller” beslutning. Designere kan vælge at bruge begge dele, men ved hjælp af et batteri og superkondensator i kombination kræver designeren at stå over for udfordringen med at finde den optimale balance mellem de forskellige karakteristika for hver.

Den gode nyhed er, at der på grund af en innovativ komponent ikke er behov for et "og / eller" dilemma, når man vælger, om der skal bruges batterier, superkondensatorer eller begge dele. En familie af hybrid energilagringskomponenter fra Eaton - Electronics Division kombinerer begge attributter i en enkelt pakke, hvilket fjerner behovet for kompromis.

Sagen for hybrid supercaps

Hybride superkondensatorer kombinerer de underliggende strukturer af både batterier og superkondensatorer i en fysisk enhed. Disse hybridkomponenter er ikke bare en simpel emballage af et særskilt batteri og superkondensatorpar i et fælles hus. I stedet er de energikilder, der fusionerer et batteris kemi med en superkondensators fysik i en enkelt struktur. Som et resultat overvinder disse hybride enheder de separate mangler ved batterier og supercaps, samtidig med at de giver klare fordele for udvikleren ved at opfylde designkrav.

Hybride superkondensatorer er asymmetriske enheder, der omfatter en Li-dopet grafitanode og en aktivkulkatode. Selvom opladningsbevægelsen hovedsageligt udføres elektrokemisk, er den i en betydeligt lavere dybde sammenlignet med Li-ion-batteriet.

Blandt andre attributter resulterer denne kombination af teknologier i et meget højt antal cyklusser (mindst 500.000 cyklusser er typisk) og meget hurtig reaktion på høje udladningshastigheder (figur 4).

Figur 4: Den hybrid superkapacitor overvinder opladnings- / afladningscyklus og hastighedsbegrænsninger for et batteri, blandt dets andre dyder. (Billedkilde: Eaton - Electronics Division)

Som en ekstra fordel anvendes der ikke metaloxider, og disse hybrid supercaps udgør derfor ingen risiko for brand eller termisk løb. Outputkarakteristika versus opladningsniveau er også kompatible med lavspændingssystemer med lavt strømforbrug (figur 5).

Figur 5: Udgangsafladningsprofilen for hybrid-superkondensatoren ligger mellem et batteris og en standard-superkondensator. (Billedkilde: Eaton - Electronics Division)

Som med alle komponenter og designtilgange tilbyder hver energilagringsløsning afvejninger i ydeevne og kapaciteter. Tabel 1 viser de positive (“+”) og negative (“-”) egenskaber for disse i forhold til hinanden, i typiske tilfælde.

Tabel 1: En sammenligning af de typiske egenskaber ved et batteri, en superkapacitor og en hybrid superkapacitor viser, at hybrid kombinerer det bedste fra begge. (Tabelkilde: Forfatteren ved hjælp af data fra Eaton - Electronics Division)

Erfarne ingeniører ved, at ingen enkelt tilgang er perfekt, og mange gange er en enkelt positiv egenskab ved en af de tilgængelige løsninger så vigtig, at den tilsidesætter nogen af de andre tilgange. Derfor vil systemkravene diktere den endelige løsning.

Hybride superkondensatorer spænder over farad / energikapacitetsområdet

I modsætning til nogle specialiserede komponenter, der kun tilbyder et begrænset antal specifikationer, er disse hybrid superkondensatorer tilgængelige, der dækker et ret bredt ydeevneområde. For eksempel er den nederste ende af områdetHS1016-3R8306-R , en 30 F enhed i EatonsHS-serien af cylindriske hybrid superkapacitorceller, der måler 18 mm lange med en diameter på 10,5 mm (figur 6).

Figur 6: Eaton HS1016-3R8306-R er en 30 F-enhed i HS-serien af cylindriske hybrid superkapacitorceller. (Billedkilde: Eaton - Electronics Division)

DetHS1016-3R8306-R har en driftsspænding på 3,8 volt, og dens kritiske specifikation for initial ESR er lav 550 mΩ, hvilket resulterer i temmelig høj effekttæthed - så meget som otte gange som for en standard superkondensator. Den kan levere 0,15 A kontinuerlig strøm (op til 2,7 A maksimum) og har en lagret energikapacitet på 40 mWh. Som med alle medlemmer i HS-serien er det UL-anerkendt, hvilket i høj grad forenkler den samlede produktgodkendelsesproces.

For en hybrid kapacitet med større kapacitet i samme familie,HS1625-3R8227-R er en cylindrisk 220 F-enhed, der måler 27 mm lang og 16,5 mm i diameter, med en ESR på 100 mΩ, der leverer op til 1,1 A kontinuerlig og 15,3 A spidsstrøm. Dens samlede energilagringskapacitet er 293 mWh.

Med deres kombination af kapacitet, ydeevne og fysiske specifikationer er Eaton hybrid superkondensatorer velegnede til at levere standalone pulseffekt til trådløse forbindelser i smarte målere eller parallelt med et batteri. De passer også godt til "gennemkørsel" under korte afbrydelser eller strømafbrydelser i industriel proces og programmerbare logiske controllere, hvilket undgår den resulterende og ofte lange nedetid, som selv et kort strømproblem kan forårsage. På samme måde kan de understøtte flygtig cache-hukommelse, servere og multidisc RAID-lagring i datacentre under sådanne strømafbrydelser.

Konklusion

For designere af IoT-systemer er hybride superkondensatorer en god mulighed for energilagring og strømforsyning på grund af deres høje energitæthed, lange levetid og højere arbejdsspænding. Bygget med disse hybrid superkondensatorer kan design kræve færre celler og mindre volumen sammenlignet med standard superkondensatorer, samtidig med at de opfylder temperatur- og levetidskrav bedre end batterier alene. Ved at fjerne vanskelige kompromiser og kompromiser gør disse hybridkomponenter det muligt for designingeniører lettere at nå udfordrende projektmål.

Anbefales

1. Hybride 3,8 V superkondensatorer med høj effekt - HS-serien
2. Hybride superkondensatorer med høj effekt opnår signifikant højere energitætheder end standardløsninger
3. HS Hybrid superkapacitor hvidt papir
4. Hybrid Supercapacitor Technology Oversigt (video)