Hybrydowe podejście do zasilania w aplikacjach IoT

W przypadku aplikacji IoT o małym poborze mocy i przemysłowego IoT (IIoT) zazwyczaj celem jest zapewnienie niezawodności działania, długiej żywotności, wydajności, dużej gęstości energii i łatwości użytkowania, co prowadzi do prostszego procesu projektowania i integracji, krótszego czasu opracowywania i mniejszych kosztów projektu. Chociaż w celu osiągnięcia tych celów całkowicie wykonalne jest jednoczesne stosowanie zarówno akumulatorów litowo-jonowych, jak i EDLC, projektowanie i optymalizacja projektu dla obu źródeł naraz może być złożonym przedsięwzięciem. Bardziej odpowiednie może być podejście zintegrowane.

W artykule omówiono wymagania zasilania dla projektów aplikacji IoT oraz technologie używane w bateriach elektrochemicznych i EDLC. Następnie przedstawiono koncepcję hybrydowego magazynowania energii, która polega na połączeniu zalet baterii i superkondensatorów na przykładzie produktów firmy Eaton – Electronics Division.

Systemy IoT: mały pobór mocy i długa żywotność

W ciągu ostatnich kilku lat zaobserwowano ogromny wzrost liczby działających urządzeń w zastosowaniach o małym poborze mocy, które mogą działać z użyciem stosunkowo mało wydajnych źródeł zasilania. Chociaż w stanie aktywnym prądy robocze zawierają się tutaj w zakresie od miliamperów do nawet amperów, sprzęt ten przez długi czas znajduje się w trybach głębokiego uśpienia, które zwykle wymaga tylko mikroamperów. Krótki czas aktywności i długi czas uśpienia rozwiązują problem długotrwałego działania. Zastosowanie komunikacji bezprzewodowej o małym poborze mocy, małej przepustowości, jak LoRaWAN lub Bluetooth Low Energy (BLE), również pomaga zminimalizować zużycie energii.

W takich warunkach pracy i zastosowaniach projektanci zazwyczaj rozważali dwie technologie zasilania: jeden z kilku dostępnych wariantów ogniw litowo-jonowych lub superkondensator. Każda z nich charakteryzuje się kompromisami w zakresie dostępnej pojemności i gęstości energii z objętości, liczbą cykli życia, wartości napięcia, stopnia samorozładowania, zakresu temperatur roboczych, wydajności przy małym i dużym tempie rozładowania oraz jeszcze kilku innych czynników.

Kluczowe różnice w technologiach

Krótko mówiąc, niezależnie od tego, czy jest to ogniwo pierwotne (nieładowalne), czy wtórne (ładowalne), działanie baterii jest oparte na reakcjach elektrochemicznych. Bateria litowa zawiera anodę grafitową i katodę z tlenku metalu, razem z elektrolitem, który jest zwykle ciekły, ale w niektórych zastosowaniach może być też stały. Żywotność ładowalnych ogniw jest zazwyczaj ograniczona do kilku tysięcy cykli ładowania/rozładowania z powodu różnych form degradacji wewnętrznej struktury.

Ponadto akumulatory wymagają użycia dodatkowego układu zarządzania ładowaniem i balansowaniem ładunku w pakietach ogniw (często zaawansowanego), aby zmaksymalizować żywotność, jednocześnie zapobiegając problemom, takim jak przeładowanie, niestabilność przy zmianach temperatury lub innymi problemami, które mogą skutkować pogorszeniem wydajności, zniszczeniem ogniw, a nawet pożarem. Zaletą jest to, że stosunkowo płaski profil rozładowania tych akumulatorów upraszcza użycie tych ogniw w urządzeniach (rys. 1).

 

Rys. 1. Cyklu rozładowania typowego ogniwa litowo-jonowego pokazuje, że napięcie wyjściowe jest prawie stałe do momentu, gdy ogniwo jest niemal całkowicie rozładowane

Superkondensatory to stosunkowo nowy typ komponentów pasywnych. W latach 50. i 60. ubiegłego wieku nie brakowało opinii, że kondensator o pojemności 1 farada byłby wielkości pokoju. Niemniej badania nad materiałami i technologiami powierzchniowymi doprowadziły do opracowania nowych struktur i technik wytwarzania, a ostatecznie do tego, co nazwano superkondensatorem, zapewniając pojemności rzędu dziesiątek, a nawet setek faradów, w obudowie porównywalnej rozmiarem do innych elementów pasywnych.

Superkondensatory przechowują energię w polu elektrycznym, a nie w reakcji chemicznej. Elementy te mają symetryczną konstrukcję bazującą na elektrodach z węglem aktywnym zarówno po stronie anody, jak i katody. Ich ładowanie i rozładowywanie wiąże się z procesami elektrostatycznymi bez reakcji chemicznej, stad ich cykl życia jest praktycznie nieograniczony. W przeciwieństwie do akumulatorów napięcie na zaciskach spada liniowo w funkcji ilości dostarczonej energii (rys. 2).

 

Rys. 2. W przeciwieństwie do ogniw litowo-jonowych, napięcie wyjściowe superkondensatora stale się obniża, ponieważ oddaje on zmagazynowany ładunek elektryczny

Wszystkie topologie zmuszają do kompromisów

 

Rys. 3. Inżynierowie mogą wykorzystać superkondensatory i akumulatory w trzech typowych topologiach: (od góry) równolegle, jako niezależne elementy lub połączone za pomocą kontrolera/regulatora

Ze względu na różnice w zasadzie działania, konstrukcji i wydajności pomiędzy bateriami a superkondensatorami, projektanci muszą zdecydować, czy użyć tylko jednego elementu do magazynowania energii, czy też wykorzystać oba, bo ma to wpływ na wydajność i parametry zasilania (rys. 3):

• Połączenie równoległe jest najprostsze, ale takie użycie superkondensatora nie jest optymalne, a jego napięcie wyjściowe jest bezpośrednio związane z napięciem akumulatora.
• Używanie akumulatora i superkondensatora jako niezależnych elementów działa najlepiej, gdy istnieje niekrytyczne pod względem zasilania obciążenie podstawowe i oddzielny obwód o znaczeniu krytycznym, ponieważ zapewnia niezależne obwody zasilania dla każdego z nich. Niemniej takie podejście nie oferuje korzyści w postaci jakiejkolwiek synergii (korzyści z istnienia dwóch źródeł).
• Inteligentny układ zarządzania zasilaniem łączy możliwości każdego źródła energii i maksymalizuje zarówno czas pracy, jak i cykl życia, ale wiąże się z użyciem dodatkowych elementów, takich jak kontroler i konwerter DC-DC, włączonych w obwody między dwoma źródłami a obciążeniem. Taka topologia jest najczęściej stosowana w wydajnych jednostkach energetycznych związanych z transportem.

W każdym z przypadków wybór topologii pracy akumulatora i superkondensatora w układzie zasilania nie jest decyzją "albo/albo" i wymaga od projektanta znalezienia optymalnej równowagi między różnymi charakterystykami każdego z tych elementów, chyba że sięgniemy po innowacyjne komponenty hybrydowe firmy Eaton – Electronics Division, które łączą cechy obu wymienionych źródeł w jednym, eliminując potrzebę kompromisów.

Superkondensatory hybrydowe

Superkondensatory hybrydowe łączą podstawowe cechy ogniw chemicznych i superkondensatorów w jednej części. Nie jest to tylko proste umieszczenie dwóch elementów we wspólnej obudowie. Są to źródła energii, które łączą chemię baterii z fizyką działania superkondensatora w jedną całość. W rezultacie takie hybrydy nie mają wad obu tych komponentów, zapewniając jednocześnie wyraźne korzyści w zakresie spełniania wymagań projektowych.

Superkondensatory hybrydowe to asymetryczne komponenty zawierające anodę grafitową domieszkowaną litem i katodę z węglem aktywnym. Chociaż proces ich ładowania odbywa się głównie w domenie elektrochemicznej, zachodzi on na znacznie mniejszej głębokości w porównaniu z tym, co dzieje się w akumulatorze litowo-jonowym. Stąd wynika ich większa dynamika działania. Wśród wielu zalet, taka kombinacja technologii skutkuje bardzo dużą dostępną liczbą cykli ładowania-rozładowania (minimum 500 tys.) i zapewnia bardzo szybką reakcję na rozładowania dużym prądem (rys. 4).

 

Rys. 4. Superkondensator hybrydowy jest wolny od ograniczeń w zakresie maksymalnej liczby cykli ładowania/rozładowania i możliwości poboru chwilowego dużego prądu

Dodatkową korzyścią jest to, że w tych elementach nie używa się tlenków metali, a zatem te hybrydy nie stwarzają ryzyka pożaru lub niestabilności termicznej. Charakterystyki zmiany napięcia wyjściowego w funkcji poziomu naładowania są również zgodne z wymaganiami niskonapięciowych systemów o małej mocy (rys. 5). Tabela 1 pokazuje negatywne atrybuty ("–") poszczególnych podejść do realizacji zasilania, z kolei Tabela 2 ilustruje zalety ("+").

 

Rys. 5. Profil rozładowania superkondensatora hybrydowego mieści się pomiędzy akumulatorem a standardowym superkondensatorem

Szeroki zakres dostępnych pojemności

pojemności W przeciwieństwie do wielu specjalistycznych komponentów, hybrydowe superkondensatory są dostępne w dość szerokim zakresie pojemności, napięć i wielkości. Na dolnym końcu znajduje się 30-faradowy HS1016-3R8306-R firmy Eaton, w cylindrycznej obudowie o długości 18 mm i średnicy 10,5 mm (rys. 6).

 

Rys. 6. 30-faradowy hybrydowy Eaton HS1016-3R8306-R w obudowie cylindrycznej z serii HS

HS1016-3R8306-R ma napięcie robocze 3,8 V i małą początkową wartość ESR rzędu 550 mΩ, co zapewnia dużą gęstość mocy – aż ośmiokrotnie większą niż w przypadku standardowego superkondensatora. Element ten może dostarczać prąd ciągły o wartości 0,15 A (maksymalnie do 2,7 A), a pojemność pozwala na zmagazynowanie energii na poziomie 40 mWh. Podobnie jak w przypadku wszystkich innych elementów z serii HS, spełnia on wymagania UL, co znacznie upraszcza cały proces zatwierdzania produktu w aspekcie formalnym.

Elementem o większej pojemności w tej samej rodzinie jest HS1625-3R8227-R. Ma on pojemność 220 F, ESR 100 mΩ i jest umieszczony w obudowie o długości 27 mm i średnicy 16,5 mm. Dostarcza do 1,1 A prądu ciągłego i 15,3 A prądu szczytowego. Całkowita zdolność magazynowania energii wynosi tu 293 mWh.

Dzięki połączeniu dużej pojemności, wydajności prądowej i znakomitej specyfikacji hybrydowe superkondensatory firmy Eaton doskonale nadają się do realizacji zasilania o chwilowej dużej wydajności dla systemów komunikacji bezprzewodowej w inteligentnych licznikach mediów, gdzie mogą działać równolegle z baterią jednorazową. Nadają się też do aplikacji zasilania awaryjnego, gdzie mogą podtrzymać zasilanie podczas krótkich przerw w dostawie prądu w aplikacjach przemysłowych. Podobnie mogą wspierać pracę magazynów danych w serwerach i wielodyskowych macierzach RAID w centrach danych.

Digi-Key Electronics
https://www.digikey.pl/