Använd hybrider för att få fördelarna med både batterier och superkondensatorer i IoT-konstruktioner

Konstruktörer av produkter i tillämpningar inom allt från småskaliga IoT-noder (Internet of Things), tillgångsspårning och smart mätning, till större som reservkraft för utrustning och statusrapportering, kräver alltmer en oberoende källa för uppladdningsbar kraft. Typiskt sett har deras val varit begränsat till antingen ett elektrokemiskt batteri, oftast baserat på litium-jon-kemi (Li), eller en elektrisk dubbelskiktskondensator (EDLC), ofta kallad superkondensator eller "superkondning". Problemet är att oavsett om de används ensamma eller i kombination, har varje teknologi vissa begränsningar, vilket kräver att utvecklare balanserar funktionerna och begränsningarna för var och en i förhållande till deras konstruktionsmålsättningar.

Dessa målsättningar, särskilt för IoT-applikationer med låg effekt och industriellt IoT (IIoT), inkluderar vanligtvis tillförlitlighet, lång livslängd, effektivitet, energitäthet och användarvänlighet, vilket leder till en enklare konstruktions- och integrationsprocess, kortare utvecklingstid och lägre projektkostnader. Även om det är helt möjligt att använda både Li-jon och EDLC tillsammans för att uppnå dessa mål, kan konstruktion och optimering för båda tillvägagångssätten bli en komplex uppgift. Ett integrerat förhållningssätt kan visa sig mer fruktbart.

Denna artikel diskuterar kraven som ställs på strömförsörjningskonstruktioner för IoT och teknologin bakom elektrokemiska batterier och EDLC. Den introducerar sedan ett alternativt angreppssätt i form av hybridlagringskomponenter, som kombinerar egenskaperna för batterier och EDLC i en och samma komponent. I artikeln presenteras exempel på komponenter från Eaton - Electronics Division och deras egenskaper och tillämpningar diskuteras.

IoT-system kräver låg effekt och lång livslängd

De senaste åren har det skett en enorm tillväxt i tillämpningar med låg effekt och låg belastning som kan drivas från relativt små kraftkällor. Även om kretsarna i dessa enheter har aktivlägesströmmar från milliampere till ampere, har komponenterna ofta långa driftperioder i djupviloläge, som vanligtvis endast drar mikroampere. Användningen av dessa komponenter i trådlösa teknologier med låg effekt, låg hastighet och låg belastning, som LoRaWAN eller Bluetooth low energy (BLE), hjälper också till att minimera strömförbrukningen.

För dessa driftsförhållanden har konstruktörer vanligtvis övervägt två energilagringstekniker: någon variant av Li-jon-batteriet eller en superkondensator. Var och en medför kompromisser i energikapacitet och -täthet, livscykler, polspänning, självurladdning, driftstemperaturområde, prestanda vid låga och höga urladdningshastigheter och andra faktorer.

Viktiga skillnader i lagringsteknik

I korthet, oavsett om det är en primär (ej uppladdningsbar) eller en sekundär (uppladdningsbar) cell, bygger ett batteri på elektrokemiska principer. Ett litiumbaserat batteri innehåller en grafitanod och en metalloxidkatod, med en mellanliggande elektrolyt som vanligtvis är flytande men som kan vara i fast form i vissa implementeringar. Livslängden på laddningsbara celler är normalt begränsad till flera tusen laddnings-/urladdningscykler till följd av olika former av intern nedbrytning.

Dessutom kräver batterier en sofistikerad reglering av celler och batterier för att maximera livslängden och samtidigt förhindra problem som överladdning, okontrollerad värmeutveckling eller andra felförhållanden som kan leda till försämrad prestanda, cellförstörelse eller till och med bränder. För konstruktörer förenklas kretsimplementeringen av den relativt platta urladdningsprofilen för dessa batterier (Figur 1).

Figur 1: Urladdningscykelprofilen för en typisk Li-joncell visar en nästan konstant utspänning tills cellen är nästan helt urladdad. (Bildkälla: Eaton - Electronics Division)

Som kontrast mot detta lagrar EDLC energi med en fysisk process snarare än en kemisk reaktion. Dessa komponenter är symmetriska med aktivt kol-elektroder på både anod- och katodsidan. Deras laddning och urladdning är elektrostatiska processer utan kemiska reaktioner, och deras livslängd är praktiskt taget obegränsad. Till skillnad från batterier sjunker deras polspänning linjärt som en funktion av den levererade energin (Figur 2).

Figur 2: Till skillnad från en Li-joncell minskar en superkondensators utspänning stadigt när den ger upp lagrad laddning. (Bildkälla: Eaton - Electronics Division)

EDLC-teknik är en relativt ny utveckling inom fältet passiva komponenter. Till och med på 1950- och 1960-talet var den allmänna uppfattningen att en kondensator på "bara" en Farad skulle vara stor som ett rum. Istället ledde forskning om material och ytteknik till nya strukturer och tillverkningstekniker och så småningom till vad som kom att kallas superkondensatorn, vilken kunde lagra tiotals eller till och med hundratals Farad i en kapsling som var jämförbar i storlek med andra passiva grundkomponenter.

Kompromisser mellan olika topologialternativ

Pga. de grundläggande skillnaderna mellan konstruktion och prestanda mellan batterier och EDLC, måste konstruktörer bestämma om de bara vill använda en energilagringsenhet eller kombinera båda. Om de väljer att använda en kombination måste de sedan välja mellan olika topologier, var och en med sina respektive kompromisser och konsekvenser avseende prestanda (Figur 3).

Figur 3: Konstruktörer kan kombinera en superkondensator och ett batteri i tre vanliga topologier: (från toppen) parallellt, som oberoende komponenter eller kombinerade via en styrenhet/regulator. (Bildkälla: Eaton - Electronics Division)

• Den parallella principen är enklast, men detta bruk av superkondensatorn är inte optimalt och dess utspänning blir direkt bunden till batterispänningen.
• Att använda ett batteri och superkondensator som oberoende enheter fungerar bäst när det finns en icke-kritisk baslast och en separat kritisk last eftersom det ger oberoende effekt för var och en, men denna princip erbjuder inte fördelen av någon form av synergi mellan de separata enheterna.
• Det smarta arrangemanget kombinerar funktionerna för varje energikälla och maximerar både drifttid och cykellivslängd, men det kräver ytterligare regleringskomponenter, såsom en styrenhet, och DC/DC-reglering mellan de två källorna och lasten; denna topologi används oftast med transportrelaterade effektenheter.

När man använder topologier som dessa är valet av batteri och superkondensator inte ett antingen eller-beslut. Konstruktörer kan välja att använda båda, men att använda ett batteri och superkondensator i kombination kräver att konstruktören antar utmaningen med att hitta den bästa balansen mellan de olika egenskaperna för respektive komponent.

Den goda nyheten är att det på grund av en innovativ komponent inte är nödvändigt att stå inför ett "antingen eller" när man väljer om man vill använda batterier, superkondensatorer eller båda. En familj av energilagrande hybridkomponenter från Eaton - Electronics Division, kombinerar båda attributen i ett enda paket, vilket eliminerar behovet av kompromisser.

Argumentet för hybrid-superkondensatorer

Hybrid-superkondensatorer kombinerar de underliggande strukturerna för både batterier och superkondensatorer i en fysisk enhet. Dessa hybridkomponenter är inte bara en enkel paketering av ett batteri och en superkondensatorpar separata i ett gemensamt hölje. Istället är de energikällor som sammanför batteriets kemi med superkondensatorns fysik i en enda struktur. Därigenom övervinner dessa hybridkomponenter de respektive bristerna i batterier och superkondensatorer, samtidigt som de ger klara fördelar för utvecklare när det gäller att nå upp till konstruktionskraven.

Hybrid-superkondensatorer är asymmetriska komponenter som innefattar en Li-dopad grafitanod och en katod med aktivt kol. Även om laddningsrörelsen huvudsakligen sker elektrokemiskt, ligger den på ett betydligt mindre djup jämfört med Li-jon-batteriet.

Bland andra egenskaper resulterar denna kombination av teknologier i en mycket hög cykellivslängd (minst 500 000 cykler är vanligt) och mycket snabb respons vid höga urladdningshastigheter (Figur 4).

Figur 4: Hybrid-superkondensatorn övervinner laddnings-/urladdningscykeln och hastighetsbegränsningarna för ett batteri, bland andra fördelar. (Bildkälla: Eaton - Electronics Division)

Ytterligare en fördel är att inga metalloxider används, och därför utgör dessa hybrid-superkondensatorer inga risker för brand eller okontrollerad värmeavgivning. Utgångskarakteristiken kontra laddningsnivån är också kompatibel med behoven hos lågspänningssystem med låg effekt (Figur 5).

Figur 5: Utgångsurladdningsprofilen för hybrid-superkondensatorn ligger mellan den för ett batteri och för en standard-superkondensator. (Bildkälla: Eaton - Electronics Division)

Som med alla komponenter och konstruktionsprinciper medför varje energilagringslösning kompromisser i prestanda och kapacitet. Tabell 1 visar de positiva ("+") och negativa ("-") egenskaperna för dessa i förhållande till varandra, för typiska fall.

Tabell 1: En jämförelse av de typiska egenskaperna hos ett batteri, en superkondensator och en hybrid-superkondensator visar att hybriden kombinerar det bästa av båda. (Tabellkälla: Författaren, med data från Eaton - Electronics Division)

Erfarna ingenjörer vet att inget enskilt angreppssätt är perfekt, och många gånger är ett enda positivt attribut för endera av de tillgängliga lösningarna så viktigt att det överträffar de andra angreppssätten. Därför kommer systemkraven att diktera den slutliga lösningen.

Hybrid-superkondensatorer spänner över ett brett energilagringsintervall

Till skillnad från vissa specialkomponenter som endast erbjuder ett begränsat antal specifikationer, finns dessa hybrid-superkondensatorer tillgängliga i ett tämligen brett prestandaintervall. Exempelvis finns i den nedre änden av intervallet HS1016-3R8306-R, en komponent på 30 Farad (F) i Eatons HS-serie med cylindriska hybrid-superkondensatorceller, vilka är 18 mm långa med en diameter på 10,5 mm (Figur 6).

Figur 6: Eaton HS1016-3R8306-R är en 30 F-komponent i HS-serien av cylindriska hybrid-superkondensatorceller. (Bildkälla: Eaton - Electronics Division)

HS1016-3R8306-R har 3,8 volts driftspänning, och dess kritiska specifikation för initial ESR är låga 550 mΩ, vilket resulterar i en ganska hög effekttäthet - så mycket som åtta gånger jämfröt med en standard-superkondensator. Den kan ge 0,15 A kontinuerlig ström (upp till 2,7 A maximalt) och har en energilagringskapacitet på 40 mWh. Som alla medlemmar i HS-serien är den UL-godkänd, vilket förenklar produktgodkännandeprocessen.

För en hybrid-superkondensator med större kapacitet i samma familj, är HS1625-3R8227-R en cylindrisk 220 F-komponent som mäter 27 mm i längd och 16,5 mm i diameter, med en ESR på 100 mΩ som levererar upp till 1,1 A kontinuerligt och 15,3 A toppström. Dess totala energilagringskapacitet är 293 mWh.

Med sin kombination av kapacitet, prestanda och fysiska specifikationer är Eatons hybrid-superkondensatorer väl lämpade för att ge fristående pulseffekt för trådlösa länkar i smarta mätare eller parallellt med ett batteri. De är också lämpade för att ge "överbryggningseffekt" under korta avbrott eller spänningstapp i industriella processer och PLC:er, vilket undviker den resulterande och ofta långa stilleståndstiden som även ett kort strömproblem kan orsaka. På samma sätt kan de stödja flyktigt cacheminne, servrar och multidisk-RAID-lagring i datacentra under sådana strömavbrott.

Slutsats

För konstruktörer av IoT-system är hybrid-superkondensatorer ett bra alternativ för energilagring och effektleverans till följd av deras höga energitäthet, långa livslängd och högre arbetsspänning. Konstruktioner som är byggda med dessa hybrid-superkondensatorer kan kräva färre celler och uppta mindre utrymme jämfört med vanliga superkondensatorer, samtidigt som de uppfyller temperatur- och livslängdskraven bättre än enbart batterier. Genom att eliminera svåra balansgångar och kompromisser, kan dessa hybridkomponenter underlätta för utvecklingsingenjörer att klara av utmanande projektmålsättningar.

Rekommenderad läsning

1. 3,8 V hybrid-superkondensatorer med hög effekt - HS-serien
2. Hybrid-superkondensatorer med hög effekt har betydligt högre energitäthet än standardlösningar
3. Teknisk sammanfattning för HS-hybrid-superkondensatorer
4. Tekniköversikt för hybrid-superkondensatorer (video)