Zastosowanie rozwiązań hybrydowych wykorzystujących zalety baterii i superkondensatorów do zasilania rozwiązań Internetu rzeczy (IoT)

Projektanci wyrobów do różnych zastosowań, od małych węzłów Internetu rzeczy (IoT), śledzenia aktywów i inteligentnych pomiarów, do większych, takich jak zasilanie awaryjne urządzeń i raportowanie stanu, coraz częściej wymagają niezależnego źródła zasilania akumulatorowego. Zazwyczaj ich wybór był ograniczony do baterii elektrochemicznych, zwykle opartych na chemii jonów litu (Li) lub kondensatorów o podwójnej warstwie elektrycznej (EDLC), często nazywanych superkondensatorami. Problem polega na tym, że każda z tych technologii, niezależnie od tego, czy jest stosowana samodzielnie, czy w połączeniu, ma pewne ograniczenia, co wymaga od deweloperów zrównoważenia możliwości i ograniczeń każdej z nich z celami projektowymi.

Cele te, szczególnie w przypadku zastosowań Internetu rzeczy (IoT) i przemysłowego Internetu rzeczy (IIoT) o niskiej mocy, zazwyczaj obejmują niezawodność, długi czas pracy, sprawność, gęstość energii i łatwość użycia, prowadzące do prostszego procesu projektowania i integracji, krótszego czasu opracowania i niższych kosztów projektu. Chociaż łączne zastosowanie zarówno ogniw litowo-jonowych, jak i kondensatorów EDLC jest całkowicie wykonalne, osiągnięcie tych celów może wymagać złożonego projektowania i optymalizacji dla obu podejść. Właściwsze może być podejście zintegrowane.

Artykuł omawia wymagania stawiane projektom zasilania urządzeń Internetu rzeczy (IoT) oraz technologie stojące za bateriami elektrochemicznymi i kondensatorami EDLC. Następnie przedstawia alternatywne podejście w postaci hybrydowych komponentów do magazynowania energii, które łączą w sobie cechy baterii i kondensatorów EDLC w jednej obudowie. Artykuł przedstawia przykładowe urządzenia firmy Eaton - Electronics Division oraz omawia ich charakterystykę i zastosowanie.

Systemy Internetu rzeczy (IoT) wymagają długiego czasu pracy przy niskiej mocy

W ciągu ostatnich kilku lat nastąpił ogromny rozwój zastosowań o niskiej mocy i niskim cyklu pracy, które mogą być zasilane ze stosunkowo niewielkich źródeł energii. Chociaż obwody w tych urządzeniach mają aktywne tryby pracy o prądach w zakresie od miliamperów do amperów, urządzenia te często charakteryzują się wydłużoną pracą w trybach głębokiego uśpienia, które zazwyczaj wymagają tylko mikroamperów. Zastosowanie w tych urządzeniach technologii bezprzewodowych o niskiej mocy, niskiej wielkości wypływu i niskim cyklu pracy, takich jak LoRaWAN lub Bluetooth Low Energy (BLE), również pomaga zminimalizować pobór mocy.

Dla takich warunków pracy projektanci zazwyczaj rozważają dwie technologie magazynowania energii: jakiś wariant baterii litowo-jonowej lub superkondensator. Każdy z nich stanowi kompromis w zakresie pojemności i gęstości energii, liczby użytecznych cykli, napięcia końcowego, samorozładowania, zakresu temperatur roboczych, charakterystyki pracy przy niskich i wysokich wielkościach wypływu oraz innych czynników.

Najważniejsze różnice w technologiach magazynowania energii

Krótko mówiąc, niezależnie od tego, czy jest to ogniwo pierwotne (nieładowalne) czy wtórne (akumulator), bateria działa na zasadzie elektrochemicznej. Bateria litowa zawiera anodę grafitową i katodę tlenkowo-metalową, z umieszczonym między nimi elektrolitem, który zazwyczaj jest cieczą, ale w niektórych przypadkach może być ciałem stałym. Żywotność ogniw akumulatorowych jest ograniczona zazwyczaj do kilku tysięcy cykli ładowania-rozładowania z powodu różnych form wewnętrznej degradacji.

Ponadto baterie wymagają zaawansowanego zarządzania ogniwami i pakietami baterii, aby zmaksymalizować ich okres użytkowania, jednocześnie zapobiegając problemom takim jak nadmierne naładowanie, niestabilność termiczna lub inne stany usterek, które mogą spowodować pogorszenie parametrów działania, zniszczenie ogniw, a nawet pożar. Stosunkowo płaski profil rozładowania tych baterii upraszcza implementację obwodów przez projektantów (ilustracja 1).

Ilustracja 1: Profil cyklu rozładowania typowego ogniwa litowo-jonowego wskazuje prawie stałe napięcie wyjściowe aż do momentu, gdy ogniwo jest bliskie całkowitego rozładowania. (Źródło ilustracji: Eaton - Electronics Division)

W przeciwieństwie do nich, kondensatory EDLC magazynują energię, wykorzystując proces fizyczny, a nie reakcję chemiczną. Urządzenia te są symetryczne i posiadają elektrody z węgla aktywowanego zarówno po stronie anody jak i katody. Ich ładowanie i rozładowywanie to procesy elektrostatyczne bez reakcji chemicznych, a liczba użytecznych cykli jest praktycznie nieograniczona. W przeciwieństwie do akumulatorów ich napięcie końcowe spada liniowo w funkcji dostarczanej energii (ilustracja 2).

Ilustracja 2: W przeciwieństwie do ogniwa litowo-jonowego, napięcie wyjściowe superkondensatora maleje jednostajnie, w miarę jak oddaje on zmagazynowany ładunek. (Źródło ilustracji: Eaton - Electronics Division)

Technologia EDLC jest stosunkowo nowym osiągnięciem w świecie komponentów pasywnych. Nawet w latach 50. i 60. XX wieku panowało przekonanie, że kondensator o pojemności zaledwie jednego farada będzie miał wielkość pokoju. Jednakże badania nad materiałami i technologiami powierzchniowymi doprowadziły do powstania nowych struktur i technik wytwarzania, a w końcu do tego, co nazwano superkondensatorem, zapewniającym dziesiątki, a nawet setki faradów w obudowie o rozmiarach porównywalnych z innymi podstawowymi elementami biernymi.

Kompromisy opcji topologicznych

W związku z zasadniczymi różnicami konstrukcyjnymi i wydajnościowymi między bateriami i kondensatorami EDLC projektanci muszą zdecydować, czy użyć tylko jednego urządzenia magazynującego energię, czy połączyć oba ich rodzaje. Jeśli zdecydują się oni na zastosowanie połączenia, muszą wybrać spośród różnych topologii, z których każda wiąże się z kompromisami i skutkami w odniesieniu do parametrów działania (ilustracja 3).

• Podejście równoległe jest najprostsze, ale wykorzystanie superkondensatora nie jest optymalne, a jego napięcie wyjściowe jest bezpośrednio związane z napięciem baterii.
• Użycie baterii i superkondensatora jako niezależnych jednostek sprawdza się najlepiej w przypadku niekrytycznego obciążenia podstawowego i oddzielnego obciążenia krytycznego, ponieważ zapewnia niezależne zasilanie dla każdego z nich, ale takie podejście nie oferuje korzyści w postaci synergii pomiędzy oddzielnymi jednostkami.
• Układ inteligentny łączy możliwości każdego źródła energii i maksymalizuje zarówno czas pracy, jak i żywotność cyklu, ale wymaga dodatkowych elementów zarządzających, takich jak kontroler i regulacja prądu stałego między dwoma źródłami a odbiornikiem. Ta topologia jest najczęściej stosowana w jednostkach zasilających związanych z transportem.

Przy zastosowaniu tego typu topologii wybór pomiędzy baterią a superkondensatorem nie jest decyzją typu „albo-albo”. Projektanci mogą decydować się na zastosowanie obu tych urządzeń, ale połączenie baterii i superkondensatora wymaga znalezienia optymalnej równowagi pomiędzy różnymi charakterystykami każdego z nich.

Dobra wiadomość jest taka, że dzięki innowacyjnemu komponentowi nie trzeba już stawać przed dylematem „i/lub” przy decyzji, czy użyć baterii, superkondensatorów, czy obu tych komponentów. Grupa hybrydowych komponentów do magazynowania energii firmy Eaton - Electronics Division łączy w jednej obudowie atrybuty obu rozwiązań, eliminując potrzebę kompromisu.