Hibridek használata IoT-eszközök energiaellátásában az akkumulátorok és a szuperkondenzátorok előnyeinek kihasználása céljából

Legyen szó kisméretű, dolgok internete (IoT) alapú csomópontokról, tárgyi eszközök követéséről, intelligens mérésről, vagy nagyobb méretű alkalmazásokról, például berendezések tartalék energiaellátásának biztosításáról és állapotjelentések küldéséről, ezen rendszerek tervezői egyre inkább igénylik a független, újratölthető áramforrások jelenlétét. Lehetőségeik általában kimerültek abban, hogy választhattak egy lítium-ion technológiás elektrokémiai akkumulátor, vagy egy elektromos duplaréteg kondenzátor (más néven szuperkondenzátor) között. A probléma az, hogy akár önmagukban, akár kombinálva használják őket, mindkét technológia veleszületett korlátokat hoz magával, így a fejlesztőknek mindig egyensúlyba kell hozniuk az adott technológia nyújtotta lehetőségeket és annak korlátait a tervezési szempontokkal.

Ilyen jellemző szempontok, különösen az alacsony fogyasztású IoT és ipari IoT (IIoT) alkalmazások esetében a megbízhatóság, a hosszú élettartam, a hatékonyság, az energiasűrűség és a könnyű használat, ami egyszerűbb tervezési és integrációs folyamatot, rövidebb fejlesztési időt és alacsonyabb projektköltséget eredményez. Bár a Li-ion és a szuperkondenzátorok (EDLC-k) együttes használatával ezek a célok tökéletesen megvalósíthatók, egy mindkét komponensre optimalizált kialakítás megtervezése gyakran komplex feladat. Ehelyett járhatóbb út lehet, ha integráljuk e két elemet.

Ez a cikk az IoT energiaellátási követelményeit, valamint az elektrokémiai akkumulátorok és EDLC-k mögötti technológiákat tárgyalja. Ezután a hibrid energiatároló komponensek tárgyalásával bemutat egy alternatív, integrált megközelítést, ahol egyetlen tok tartalmazza egyesítve az akkumulátorok és az EDLC-k tulajdonságait. A cikk az Eaton - Electronics Division eszközeit példaként idézve tárgyalja azok jellemzőit és alkalmazását.

Az IoT-rendszereknél alacsony fogyasztásra és hosszú élettartamra van szükség

Az elmúlt néhány évben óriási növekedés volt tapasztalható az alacsony fogyasztású, rövid viszonylagos bekapcsolási időtartamú alkalmazások terén, amelyek működése viszonylag kis energiaforrásokból biztosítható. Bár aktív üzemmódban az ilyen eszközök áramfelvétele milliamperektől amperekig terjed, gyakran rendelkeznek mély alvó üzemmóddal is, amikor táplálásukhoz általában csak mikroamperekre van szükség. Ezen alacsony fogyasztású, alacsony sebességű és rövid viszonylagos bekapcsolási időtartamú eszközökben az alacsony áramigényű vezeték nélküli technológiák, például a LoRaWAN vagy a Bluetooth Low Energy (BLE) szintén hozzájárulnak az energiafogyasztás minimalizálásához.

Ilyen üzemi körülmények esetén a tervezők jellemzően két energiatárolási technológia egyikét alkalmazták: a Li-ion akkumulátorok valamely változatát vagy egy szuperkondenzátort. Mindegyikük kompromisszumokat von maga után az energiatárolási képeség, az energiasűrűség, a működési élettartam (ciklusszám), a kapocsfeszültség, az önkisülés, az üzemi hőmérséklet-tartomány, a kisütési sebesség és egyéb tényezők tekintetében.

A tárolási technológiák főbb különbségei

Röviden, akár primer (nem újratölthető), akár szekunder (újratölthető) celláról van szó, mindkettő működése elektrokémiai alapokon nyugszik. A lítium-alapú akkumulátorok egy grafit anódot és egy fém-oxid katódot tartalmaznak, amelyek között egy általában folyékony, de bizonyos kialakításokban akár szilárd halmazállapotú elektrolit található. Az újratölthető akkumulátorok élettartama a különböző típusú belső degradációk miatt általában korlátozott, és kimerül legfeljebb néhány ezer töltési/kisütési ciklusban.

Ezenkívül az akkumulátoroknál élettartamuk maximalizálása és a különböző problémák elkerülése érdekében a cellák vagy akkucsomagok kifinomult kezelésére van szükség, mivel például a túltöltés, a hőinstabilitás vagy más olyan hibaállapotok, amelyek csökkenthetik teljesítményt, tönkretehetik a cellákat vagy akár tüzet is okozhatnak. A tervezők számára az ilyen akkumulátorokra jellemző viszonylag lapos kisütési görbe leegyszerűsíti az áramkörök megvalósítását (1. ábra).

1. ábra: Egy tipikus Li-ion cella kisütési ciklusának görbéjén megfigyelhető a közel állandó kimeneti feszültség, amíg a cella a teljes kisülési állapot közelébe nem kerül. (Kép: Eaton - Electronics Division)

Ezzel szemben az EDLC-k az energiát nem kémiai reakció, hanem fizikai folyamat segítségével tárolják. Ezek az eszközök szimmetrikusak, és az anód- és katódoldalon egyaránt rendelkeznek aktív szénelektródokkal. Töltésük és kisülésük elektrosztatikus folyamat, kémiai reakció nélkül, és a ciklusokat tekintve élettartamuk gyakorlatilag korlátlan. Az akkumulátorokkal ellentétben a kapocsfeszültségük a leadott energia függvényében lineárisan csökken (2. ábra).

2. ábra: Egy Li-ion cellával ellentétben a szuperkondenzátor kimeneti feszültsége a tárolt töltés leadásával folyamatosan csökken. (Kép: Eaton - Electronics Division)

A szuperkondenzátoros technológia egy viszonylag új fejlesztés a passzív alkatrészek világában. Az általános nézet még az 1950-es és 1960-as években is az volt, hogy csupán egy farad kapacitású kondenzátorhoz is legalább egy szobányi helyre van szükség. Az anyagok és a felületi technológiák kutatása terén elért eredmények azonban új struktúrák és gyártási technológiák, majd végül olyan, szuperkondenzátornak elnevezett termékek kifejlesztéséhez vezettek, amelyek több tíz, sőt több száz farad kapacitásúak, más közönséges passzív alkatrészekhez hasonló méretű tokozásban.

Különböző topológiák, különböző kompromisszumok

Az akkumulátorok és a szuperkondenzátorok alapvetően eltérő felépítése és működése miatt a tervezőknek dönteniük kell, hogy csak az egyik típusú energiatároló eszközt fogják-e használni, vagy pedig kettejük kombinációját. Ha a kombináció mellett döntenek, akkor különböző topológiák közül kell választaniuk, amelyek mindegyike a működésre vonatkozó kompromisszumokkal és következményekkel jár (3. ábra).

3. ábra: A tervezők három gyakori topológiában kombinálhatják a szuperkondenzátort és az akkumulátort: (fentről lefelé) párhuzamosan, független egységekként vagy vezérlőn/szabályozón keresztül kombinálva. (Kép: Eaton - Electronics Division)

• A legegyszerűbb párhuzamosan kapcsolni őket, de a szuperkondenzátor használata így nem optimalizált, és kimeneti feszültsége közvetlenül az akkumulátor feszültségéhez kötődik.
• Független egységekként egy nem kritikus alapterhelés és egy különálló kritikus terhelés esetén teljesítenek az akkumulátorok és a szuperkondenzátorok legjobban. Az energia így mindkét terhelés számára két egymástól függetlenül forrásból biztosított, de ilyen megközelítés esetén e két különálló tápforrás egymást kiegészítő együtthatása nem érvényesíthető.
• Egy intelligens elrendezés egyesíti a két különálló energiaforrás képességeit, ez egyaránt maximalizálja az üzemidőt és a feltöltési/kisütési ciklusszámot is, de ilyenkor további szabályozó komponensek használatára van szükség, például vezérlőre és DC-DC szabályozásra a két forrás és a terhelés között. Ezt a topológiát leggyakrabban a szállítással kapcsolatos alkalmazásokban található tápegységeknél használják.

Az ilyen topológiák alkalmazásakor nem arról van szó, hogy választani kell az akkumulátor és a szuperkondenzátor használata között. A tervezők dönthetnek mindkettő beépítése mellett, de az akkumulátor és a szuperkondenzátor együttes használata azzal jár, hogy meg kell találni a két eszköz eltérő jellemzőinek optimális egyensúlyát.

A jó hír az, hogy egy új komponensnek köszönhetően már nem egy „és/vagy” dilemma annak eldöntése, hogy akkumulátort, szuperkondenzátort vagy mindkettőt használjunk. Az Eaton – Electronics Division hibrid energiatároló alkatrészcsaládja mindkét elem tulajdonságait ötvözi egyetlen tokban, így kompromisszumok meghozatalára nincs szükség.

A hibrid szuperkondenzátorok mellett szóló érvek

A hibrid szuperkondenzátorok egyetlen fizikai egységben tartalmazzák az akkumulátorok és a szuperkondenzátorok alapstruktúráit. Ezeknél a hibrid alkatrészeknél nem arról van szó, hogy egyszerűen csak egy különálló akkumulátor és egy különálló szuperkondenzátor van elhelyezve egy közös házban, hanem olyan energiaforrásokról, amelyeknél egyesített formában egyetlen struktúra tartalmazza az akkumulátorok kémiai és a szuperkondenzátorok fizikai jellemzőit. Ennek eredményeképpen ezek a hibrid eszközök kiküszöbölik az akkumulátorok és a szuperkondenzátorok különálló hiányosságait, miközben egyértelmű előnyöket biztosítanak a fejlesztők számára a tervezési követelményeknek való megfelelés tekintetében.

A hibrid szuperkondenzátorok olyan aszimmetrikus eszközök, amelyek egy lítiummal szennyezett grafit anódból és egy aktív szén katódból állnak. Bár a töltéshordozók mozgása elsősorban elektrokémiai úton megy végbe, ez lényegesen kisebb mélységben történik, mint a Li-ion akkumulátoroknál.

A technológiáknak ez a kombinálása többek között nagyon magas ciklusszámot (jellemzően legalább 500 000) eredményez, illetve nagyon gyors választ nagy kisütési sebességek esetén (4. ábra).

4. ábra: A hibrid szuperkondenzátoroknál – egyéb előnyeik mellett – nincsennek jelen a töltési/kisütési ciklusok számára és a sebességekre vonatkozó korlátok, amelyek az akkumulátorokra jellemzők. (Kép: Eaton - Electronics Division)

További előnyük, hogy nem tartalmaznak fémoxidokat, ezért ezek a hibrid szuperkondenzátorok nem jelentenek tűzveszélyt és a hőinstabilitás sincs jelen. A töltésszinttől függő kimeneti jellemzők szintén összeegyeztethetők az alacsony feszültségű és fogyasztású rendszerek igényeivel (5. ábra).

5. ábra: A hibrid szuperkondenzátoroknál a kimeneti kisütési görbe valahol az akkumulátorok és a hagyományos szuperkondenzátorok görbéi között található. (Kép: Eaton - Electronics Division)

Mint minden komponens és tervezési megközelítés, az energiatárolási megoldások is kompromisszumokkal járnak a teljesítmény és a lehetőségek tekintetében. Az 1. táblázatban ezek egymáshoz viszonyított pozitív („+”) és negatív („-”) oldalai találhatók, tipikus esetekre vonatkozóan.

1. táblázat: Az akkumulátorok, a szuperkondenzátorok és a hibrid szuperkondenzátorok műszaki jellemzőinek összehasonlításával kiderül, hogy a hibridekben egyesítve mindkét előző elem legjobb tulajdonságai megtalálhatók. (Táblázat forrása: a szerző, az Eaton – Electronics Division adatainak felhasználásával)

A tapasztalt mérnökök tudják, hogy egyetlen megközelítés sem tökéletes, és sokszor az egyik lehetséges megoldás egyetlen pozitív tulajdonsága annyira fontos, hogy felülírja az összes többi lehetőség alkalmazását. A végső döntés és megoldás ezért a rendszerkövetelményektől függ.

A hibrid szuperkondenzátorok lefedik a teljes kapacitástartományt

Bizonyos néhány speciális alkatrésszel ellentétben, amelyek műszaki jellemzői korlátozottak, ezekkel a hibrid szuperkondenzátorokkal meglehetősen széles működési tartományt lefedhető. Belépő elemként létezik például a HS1016-3R8306-R, amely az Eaton HS sorozatának hengeres hibrid szuperkondenzátor-cellákból álló, 18 mm hosszú, 10,5 mm átmérőjű, 30 F értékű darabja (6. ábra).

6. ábra: Az Eaton HS1016-3R8306-R egy 30 F értékű darab a HS sorozathoz tartozó hengeres hibrid szuperkondenzátor cellákból. (Kép: Eaton - Electronics Division)

A HS1016-3R8306-R üzemi feszültsége 3,8 V, és a kezdeti ESR-re vonatkozó kritikus jellemzője alacsony, mindössze 550 mΩ, ami meglehetősen nagy teljesítménysűrűséget eredményez – akár nyolcszor nagyobbat, mint egy hagyományos szuperkondenzátornál. A kondenzátor 0,15 A erősségű áram folyamatos leadására képes (maximálisan 2,7 A-ig), energiatárolási kapacitása pedig 40 mWh. A HS sorozat minden tagjához hasonlóan ez is rendelkezik UL-tanúsítvánnyal, ami nagymértékben leegyszerűsíti a termékjóváhagyási folyamat egészét.

Ugyanezen család nagyobb kapacitású hibrid szuperkondenzátorra a HS1625-3R8227-R, amely egy 27 mm hosszú és 16,5 mm átmérőjű, henger alakú 220 F értékű eszköz, 100 mΩ ESR-rel, akár 1,1 A folyamatos és 15,3 A csúcsáram-leadási képességgel. Teljes energiatárolási kapacitása 293 mWh.

A kapacitásuk, a teljesítményük és fizikai műszaki jellemzőik kombinációjával az Eaton hibrid szuperkondenzátorok jól alkalmazhatók intelligens mérőberendezések vezeték nélküli kapcsolatainak önálló vagy akkumulátorral párhuzamosan történő impulzusszerű áramellátására. Az ipari folyamatok és programozható logikai vezérlők rövid ideig tartó áramkimaradásainak vagy áramszüneteinek átvészelésére is igen alkalmasak, így elkerülhetők az ezekből adódó, gyakran hosszadalmas leállások, amelyeket egy csupán rövid ideig tartó áramellátási probléma is kiválthat. Hasonló feladatot tölthetnek be a felejtő gyorsítótár-memóriák, a szerverek és az adatközpontok többlemezes RAID-tárolói esetében ilyen áramkimaradások esetén.

Összegzés

Az IoT-rendszerek tervezői számára a hibrid szuperkondenzátorok nagy energiasűrűségük, nagy ciklusszámuk (működési élettartamuk) és magasabb üzemi feszültségük miatt jó választásnak bizonyulnak az energiatárolás és az energiaellátás szempontjából. Az ilyen hibrid szuperkondenzátorokkal felépített konstrukciók esetében kevesebb cellára és kisebb térfogatra van szükség a csak hagyományos szuperkondenzátorokkal megvalósított elrendezésekhez képest, miközben a hőmérsékleti és az élettartamra vonatkozó követelményeknek is jobban megfelelnek, mint csak akkumulátorokkal történő kialakítás esetén. A nehéz választások és kompromisszumok megszüntetésével ezek a hibrid komponensek lehetővé teszik a tervezőmérnökök számára a kihívást jelentő projektcélok könnyebb teljesítését.

Ajánlott olvasnivaló

1. Hibrid, nagy teljesítményű 3,8 V-os szuperkondenzátorok – HS sorozat
2. Hibrid, nagy teljesítményű szuperkondenzátorokkal a hagyományos megoldásoknál lényegesen nagyobb energiasűrűség valósítható meg
3. Fehér könyv a HS Hybrid szuperkondenzátorokról
4. A hibrid szuperkondenzátor technológia áttekintése (videó)