Energiutvinning vs. batterier för sensordrift för sakernas internet

Tillgången till integrerade kretsar med ultralåg effekt har lett till spridning av sensorbaserade kretsar och system som kan drivas med så lite som mikroampere och milliampere. Dessa produkter används till exempel för miljöövervakning (säkerhet, temperatur, jordbävningar), tillgångsspårning, energi- och effektmätning samt medicinska övervakningssystem.

Många av dessa enheter måste fungera i 10 till 20 år eller längre, men ändå är det ofta svårt eller omöjligt att byta batterier i dem. Byte av batterier är också ofta något som det inte finns utrymme för i budgeten.

Därför måste konstruktörer ta lämplig hänsyn och välja mellan olika alternativ (eller mellan en kombination av alternativ) som bland annat följande:

• Energiutvinning
• Laddningsbart batteri (sekundärbatteri) med energiutvinning
• Ej laddningsbart batteri (primärbatteri) med ultralång livslängd
• En superkondensator och primärbatteri med ultralång livslängd

I denna artikel kommer vi att titta närmare på de olika alternativ som finns tillgängliga för konstruktörer och vilka kompromisser man måste vara beredd till. Under processen kommer vi att introducera relaterade lösningar (och användning av dessa) från Tadiran, Analog Devices, KEMET och Texas Instruments.

Är energiutvinning en smart lösning?

Ja, huruvida det är smart eller inte beror ju på den faktiska tillämpningen. Det är ingen tvekan om att energiutvinning är en mycket attraktiv teknik som används i stor omfattning, för att leverera effekt till vad som verkar vara en mycket låg eller ingen kostnad. De fyra viktigaste delarna inom energiutvinning är följande:

• Energiproduktion (källa)
• Omvandling (med någon typ av transduktor)
• Lagring (för användning vid ett senare tillfälle)
• Distribution (för effektiv leverans till nödvändiga kretsar)

Den första utmaningen vid utvinning är att identifiera den mest praktiska energikällan som kan utvinnas. Vanliga källor är sol, vind, vatten, termisk/differential, spillvärme eller magnetisk induktion. En annan typ av källa är någon form av vibration eller rörelse, vilken kan induceras genom gång, naturliga vibrationer i byggnader eller motorvibrationer.

Det är viktigt att tänka på att även om termerna energi och effekt ofta används synonymt (särskilt av människor i allmänhet) är de olika – även om de är besläktade. Energi är förmågan att utföra arbete medan effekt är den intensitet med vilken energi samlas in eller används. Därför är energi tidsintegralen av effekt, medan effekt är tidsderivatan av energi. I utvinningssystem måste mängden insamlad och lagrad energi vara densamma som eller större än dess effektintegral. Om den inte är det har systemet inte tillräcklig effekt för att fungera på lång sikt. Med andra ord, energi kan inte användas i aggregat som effekt vid högre intensitet än med vilken den samlas in över tid.

När den energikälla som ska utvinnas har identifierats behövs det en transduktor för att samla in och omvandla energin till elektrisk energi. Denna transduktor kan ta många former, som till exempel någon av följande: en mikroturbin, en solcell (eller panel) eller en piezoelektrisk kristall. Nästa steg är att fastställa hur man kan lagra denna oregelbundna, ofta oförutsägbara och vanligtvis lilla mängd energi på ett sätt så att den kan användas vid behov för att strömförsörja elektronik.

Batteri, superkondensator eller båda?

Två praktiska lagringsalternativ är ett laddningsbart batteri eller en superkondensator, vilken ibland kallas ultrakondensator även om dess formella namn är elektrisk dubbellagerkondensator (EDLC). Huruvida man ska välja laddningsbart batteri eller superkondensator bestäms till stor del av tillämpningens omfattning, varaktighet och driftcykel.

I allmänhet kan standardkondensatorer (ej superkondensatorer) leverera hög effekt men lagra endast förhållandevis lite energi per enhetsvolym. Som kontrast kan batterier lagra mer energi, men de har lägre effektklassning. Mellan dessa två befinner sig superkondensatorer, vilka har jämvikt mellan energi och effekt.

Jämfört med batterier har superkondensator några fördelar:

• Superkondensatorer använder fysisk laddningslagring snarare än kemisk reaktion, så att de kan laddas och urladdas mycket snabbt (på millisekunder till sekunder)
• Till skillnad från batterier är livslängden för en superkondensators laddnings-/urladdningscykel närmast obegränsad, eftersom den inte bygger på kemiska reaktioner
• Laddning av superkondensatorer är enklare än laddning av batterier, eftersom dessa endast kräver laddningsström och överspänningsskydd (OVP) istället för de något komplexa och kemiberoende laddningsalgoritmerna för konstantström och konstant spänning som används för batterier.

Exempel: KEMET FC0V474ZFTBR24 är en superkondensator på 47 mF (millifarad) i en liten och förseglad kapsling (10,5 mm hög och 8,5 mm diameter) med nominell spänning 3,5 V (figur 1). Vid den osannolika händelsen att en försegling läcker är det endast vattenånga (en gas) som läcker ut som ett resultat av fasövergången för det flytande vattnet i elektrolyten (utspädd svavelsyra) till gas.

Figur 1: Superkondensatorn FC0V474ZFTBR24 från KEMET (3,5 V, 47 mF) i en förseglad kapsling (10,5 mm hög, 8,5 mm diameter). (Bildkälla: KEMET Corp.)

Laddningsbara batterier kan användas i vissa långvariga tillämpningar och lämpar sig bäst för tillämpningar med låg men relativt konstant strömförsörjning, utan höga toppar och med låga driftcykler. I vissa konstruktioner används synkronisering av ett laddningsbart batteri med en superkondensator, där batteriet underhållsladdar kondensatorn vilken i sin tur levererar toppbelastningsström.

För de flesta långvariga tillämpningar är litiumjon (Li-jon) det bästa alternativet blad de många tillgängliga standardkemikalierna vad gäller elektrisk prestanda samt energitäthet per volym och vikt.

Det finns emellertid viktiga skillnader bland de olika litiumkemikalierna vad gäller attribut som utspänning, egenskaper för laddning/urladdning, spänning vs. återstående kapacitet, drifttemperaturområde och antalet laddnings-/urladdningscykler. Den senare är precis som andra batterispecifikationer beroende av urladdningsdjup per cykel. En övergripande sammanfattning av viktiga egenskaper för två vanligt använda kemikalier för sekundära batterier – nickelkadmium (NiCad eller NiCd) och litiumjon (Li-jon) – och två vanliga typer av bulkkondensatorer visas i tabell 1.

Tabell 1: Laddningsbara batterier och kondensatorer har olika kombinationer av viktiga attribut. (Bildkälla: KEMET Corp.)

Rent konceptuellt är det enkelt att fastställa märkdata för kapacitet (i mAh) för energilagringselement för tillämpningar där det krävs extremt lång varaktighet. En förstanivåanalys baseras på det samlade behovet av effekt, inklusive viloström, stationärt tillstånd och pulsade lägen, men det finns mer som behöver tas med i beräkningen vid konstruktion av dessa enheter. Hänsynstaganden som förluster på grund av intern ekvivalent serieresistans (ESR) och temperaturrelaterad försämring är bara två av alla de faktorer som måste tas med i beräkningen. Därför behövs en noggrann granskning av batteriets och superkondensatorns datablad och alla diagram i dessa.

Krafthantering för system: en konstant utmaning

Oberoende av om man väljer ett batteri, en superkondensator eller båda i kombination, är hantering av energiflöde från den utvinnande transduktorn till lagringselementen och därefter dess leverans till lasten viktiga konstruktionsfrågor. Denna funktion måste säkerställa att den utvunna energin (vanligtvis ett mycket litet värde) överförs till lagringselementet med max. verkningsgrad, samtidigt som den inte förkortar livslängden för cellen genom överladdning. Hanteringsfunktionen måste också mäta den ström som behövs för lasten samtidigt som den förbrukar mycket lite effekt själv. Och den måste hantera urladdningscykeln för att undvika djupurladdning, vilket försämrar antalet laddnings-/urladdningscykler med fullkapacitet för batteriet.

På utgångssidan måste hanteraren också ha DC/DC-reglering, så att lastskenan har konstant spänning oberoende av variationer i spännings- och lastbehov för lagringselementet. Beroende på vilken typ av batteri eller kondensator som väljs, baserat på lastkraven, kan denna reglering vara av typen buck eller boost. Den kan också vara en kombinerad buck/boost-regulator när lagringselementets utspänning passerar från att befinna sig över önskad DC-nivå till att befinna sig under densamma.

Exempel: Analog Devices LTC3331EUH#PBF är en buck/boost-regulator (DC/DC) av typen nanopower med batteriladdare med energiutvinning som är optimerad för högre spänningskällor än solceller (figur 2). Den kan emellertid också användas med spänningskällor med lägre spänning och utgöra grunden för en komplett lösning för energiutvinning med batteribuffert. LTC3331 är inkapslad i ett litet QFN-32-paket (5 × 5 mm) och har dubbla ingångar (till exempel för utvinning ur källor som sol och piezo) och en DC/DC-regulator med en utgång som prioriterar mellan två ingångar.

Figur 2: LTC3331 från Analog Devices kan hantera och prioritera mellan två utvinningskällor och balansera två superkondensatorer plus ett batteri, samtidigt som den levererar mellan 1,8 och 5 V vid upp till 50 mA (vänster). Tidsstyrningssekvens för LTC3331 vid laddning av ett batteri från utvunnen energi visas också (höger). (Bildkälla: Analog Devices)

Utvunna ingångar kan vara mellan 3,0 och 19 V, medan batteriets spänning kan vara upp till 4,2 V (reglerad utgångsnivå kan ställas in på mellan 1,8 och 5 V, vid 50 mA). Den stöder även seriekoppling av två superkondensatorer, vilket utförs för att öka energilagringen och verkningsgraden genom användning av automatisk cellbalansering.

Buck/boost-omvandlare regleras av prioriteraren. Denna väljer källan som ska användas baserat på tillgänglighet för batteri och/eller utvinningsbar energi. Om det finns utvinningsbar energi tillgänglig är buck-regulatorn aktiv och buck/boost inaktiv. En kortmonterad shuntladdare för batteri (10 mA) med bortkoppling vid låg batteriladdning gör att laddning av buffertbatteri för mycket längre livslängd. Viloströmmen (vilken är en kritisk faktor för regulatorns verkningsgrad, särskilt vid utvinning) är endast 950 nA när ingen last är pålagd.

Problemet med långtidsströmförsörjning är löst – eller kanske inte ändå

Om det verkar som att beslut om tillgänglig utvinningskälla, användning av batteri eller superkondensator samt systemkompromisser är komplicerade frågeställningar så kan vi hålla med dig – det kan de vara. Men det finns två större problem vid användning av utvinning som energikälla, särskilt för batterier. För det första så har inte laddningsbara batterier ett oändligt antal laddnings-/urladdningscykler. Deras typiska märkdata med 1000 eller 2000 cykler (även under optimala laddnings-/urladdningsförhållanden och optimal temperatur) är för dåliga med tanke på att de ska hålla i årtionden.

För det andra finns det en större och svårdefinierad frågeställning som rör energikälla och transduktor. Kommer solcellerna verkligen att vara helt belysta under årtionden med tanke på smuts och damm eller eventuella höga byggnader som uppförs i närheten och träd som växer och skuggar cellerna? Kommer vibrationskällan alltid att kunna generera vibrationer, även om dess inställningar och driftmiljö förändras? Dessa är mycket svåra frågeställningar som måste tas på allvar i många installationer.

Vad gäller lagring är det också ganska kontraintuitivt att ett ej laddningsbart primärcellsbatteri skulle kunna användas i tillämpningar i tiotals år, även om det har mycket låg last (mikroampere eller milliampere). Skulle det inte torka ut, korrodera eller utsättas för något problem relaterat till den långa användningstiden? Vid användning av rätt typ av primärbatteri under rätt förhållanden är detta faktiskt ett praktiskt alternativ till utvinning. Dessutom undviker man per definition alla problem relaterade till laddnings-/urladdningscykler och hantering när man använder primärceller.

Primärceller utsätts emellertid för ett oundvikligt och nedbrytande fenomen som kallas självurladdning, där det förekommer en liten men otvetydig mängd intern läckström – även om batteriet inte är utsatt för last eller om det är fysiskt bortkopplat. Denna självurladdning är för de flesta typer av litiumbaserade primärceller cirka 3 till 4 % per år av den initiala kapaciteten.

Med enkel matematik kan man visa att 4 % självurladdning försämrar cellens kapacitet ned till cirka hälften av dess ursprungliga värde på cirka 12 år, och då är inte kapacitetsförluster på grund av stöd av last medräknade. Som ett resultat av självurladdning är det mycket optimistiskt och faktiskt ganska orealistiskt att försöka fastställa livslängden med en enkel beräkning av strömförsörjning av last i förhållande till inledande batterikapacitet. Av denna anledning är flertalet primärceller inte lämpade för tiotals år långa tillämpningar.

Batterier baserade på litiumtionylklorid (LiSOCl₂) som använder ett internt arrangemang av bobintyp och där man har en egen tillverkningsprocess kan emellertid hålla i årtionden, utan överdrivet stor självurladdning. När de används för mycket låg ström i många kretsar, kombinerat med självurladdning under 1 % kan de strömförsörja ett system i ett eller två eller ända upp till fyra årtionden (figur 3). De har också låg vikt men mycket kapacitet: en högkapacitets LiSOCl₂-cell har energitäthet per vikt motsvarande cirka 650 wattimmar per kilo (Wh/kg) och per volym cirka 1280 wattimmar per kubikdecimeter (Wh/dm3).

Figur 3: Tadiran LiSOCl₂ XOL-serien levererar 86 % av nominell kapacitet efter 20 år (vänster). LiSOCl₂ XTRA-serien levererar 80 % efter 10 år, medan andra kemikalier faller till 70 % (mitten). Den höga årliga självurladdningen för celler av litiummangandioxid (LMNO₂₎ och alkaliska celler gör det omöjligt att uppnå längre batterilivslängd än 10 år (höger).

Figur 3: Batterikapacitet för tre olika kemikalier efter 10 och 20 år, endast på grund av förlust relaterad till självurladdning (utan last). Tadiran LiSOCl₂ XOL-serien levererar 86 % av nominell kapacitet efter 20 år (vänster). Tadiran LiSOCl₂ XTRA-serien levererar 80 % efter 10 år, medan andra kemikalier faller till 70 % (mitten). Den höga årliga självurladdningen för celler av litiummangandioxid (LMNO₂₎ och alkaliska celler gör det omöjligt att uppnå längre batterilivslängd än 10 år (höger). (Bildkälla: Tadiran Batteries)

Nyckeln till den låga självurladdningen i en LiSOCL₂ är ett passiveringslager av litiumklorid (LiCl) som bildas på anodens yta omedelbart när litiumet kommer i kontakt med elektrolyten. Detta förhindrar i sin tur vidare reaktion och tillhörande kapacitetsförlust. Den är en imperfekt isolator som i stor utsträckning begränsar flödet av självurladdningsström, men den trycks delvis ”åt sidan” av svag ström när lasten så kräver.

I teorin kan passiveringslagrets tjocklek ökas för att ytterligare begränsa självurladdningen, men då skulle cellen inte fungera bra med högre belastningsström. Det krävs alltså en kompromiss: låg självurladdning men begränsad användning till tillämpningar med låg strömförsörjning eller ökad självurladdning men användning av cellen för högre strömförsörjning under kortare tid (för en given nominell kapacitet).

Det finns celler som är optimerade för ultralåg strömförsörjning. TL-4902/S storlek ½ AA LiSOCl₂ är en primärcell från Tadiran XLO-serien, vilken är mycket liten (25 mm lång och diameter 14,5 mm). Detta cylindriska batteri har 3,6 V polspänning och nominell kapacitet 1,2 Ah vid 0,5 mA ned till 2 V (figur 4). Utspänningen är plan över tid, vilket ökar dramatiskt med lägre strömförsörjning, och är 10 mikroampere (µA) efter 100 000 timmar.

Figur 4: Tadiran TL-4902/S LiSOCl₂ primärbatteri kan leverera 10 µA strömförsörjning under 100 000 timmar utan försämrad utspänning. (Bildkälla: Tadiran Batteries)

Hur är det med tillämpningar med pulsad ström?

Observera att det tar i storleksordningen millisekunder att ”skära igenom” passiveringslagret, så när lastkretsen behöver ström uppstår ett transient spänningsfall följt av en långsam ökning till nominell utspänning. För att maximera den långa livslängden som dessa celler är kapabla till ska de inte användas för pulsade laster utan användas som kontinuerlig strömkälla för låg ström.

Det finns emellertid en bekväm och praktisk lösning för pulsade laster: kombinera batteri med lång livslängd, kontinuerlig urladdning och låg ström med en superkondensator. Här är kretsen konfigurerad så att batteriet kontinuerligt laddar superkondensatorn med låg takt, samtidigt som superkondensatorn används för att leverera den högre pulsströmmen (figur 5). Detta arrangemang använder faktiskt batteriet som den energikälla som ska utvinnas, även om detta inte sker i konventionella meningen av denna term.

Figur 5: Konstruktörer kan få effekt under ultralång tid för pulsade laster i ett lätthanterat arrangemang genom att använda kontinuerlig ström med låg styrka från en primärcell med lång livslängd. På så sätt kan man underhållsladda en superkondensator och därefter använda denna för att stödja pulsade laster med låg driftcykel. (Bildkälla: Texas Instruments)

Den integrerade kretsen Texas Instruments TPS62740 är mycket väl lämpad för denna konfiguration (figur 6). Denna buck-omvandlare klarar av inkommande spänning från 2,2 till 5,5 V, har nominell viloström 360 nA och drivs med en liten induktor (2,2 µH) och utgångskondensator (10 μF) samtidigt som den levererar upp till 300 mA.

Figur 6: Texas Instruments nedspänningsomvandlare TPS62740 medger användning av batteri för laddning av den lilla kondensatorn vilket betyder att konstruktörer kan använda attributen för varje energilagringsenhet på optimalt sätt. (Bildkälla: Texas Instruments)

I en typisk tillämpning ansluts primärcell LiSOCl₂ direkt till TPS62740 och regleras med en microcontroller som aktiverar/inaktiverar buck-omvandlaren, justerar utgående spänning och medger effektiv laddning (figur 7).

Figur 7: Vid kombination av TPS62740 med en primärcell LiSOCl₂ och kondensator som styrs av en microcontroller blir resultatet ett effektivt subsystem med lång livslängd och drift med låg viloström. (Bildkälla: Texas Instruments)

Buck-omvandlarens utgång ansluts till två strömbegränsande motstånd för hantering av startprocessen, vilken är nödvändig för förladdning av superkondensatorn till dess min.-spänning (1,9 V). När lagringskondensatorn är förladdad slås omkopplaren på och strömmen begränsas av det kombinerade motståndet. Med detta arrangemang kan en låg driftcykel, last med hög toppström (till exempel en trådlös IoT-nod) stödjas med max. batterilivslängd och mycket lång drifttid (flera decennier).

Det fins tre fördelar med att använda primärcell istället för utvinning med laddningsbart batteri, även med samtidig användning av superkondensator för buffring av pulsström:

• Eliminering av kostnader relaterade till utvinningstransduktorn och osäkerheter kring hur praktisk den är på lång sikt
• Eliminering av problem rörande batterihantering när det gäller begränsat antal laddnings-/urladdningscykler och dessas beroende av urladdningsdjup och drifttemperatur
• Förenkling av subsystem för strömhantering

Slutsats

Det är en verklig utmaning att hitta en strömförsörjning som levererar energi i flera decennier utan behov av översyn eller ingrepp. Det gäller även vid ganska modesta krav för konstruktioner med ultralåg ström och effekt som används för många sensorbaserade tillämpningar inom IoT.

Användning av endast primärbatteri LiSOCl₂ med låg passivisering för tillämpningar med låg ström (eller denna batterikemikalie i kombination med superkondensator) för pulsade laster med låg driftcykel är ett utmärkt alternativ till det mer självklara – och kanske mer intuitiva – alternativet energiutvinning med laddningsbart batteri.