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

Superkondensatory hybrydowe

Superkondensatory hybrydowe łączą w sobie podstawowe struktury baterii i superkondensatorów w jednym urządzeniu. Te hybrydowe komponenty to nie tylko proste upakowanie odrębnej baterii i superkondensatora we wspólnej obudowie. W rzeczywistości są to źródła energii, które łączą chemię baterii z fizyką superkondensatora w jednej strukturze. Dzięki temu te hybrydowe urządzenia przezwyciężają odrębne wady baterii i superkondensatorów, zapewniając jednocześnie wyraźne korzyści dla dewelopera przez spełnienie wymagań projektowych.

Superkondensatory hybrydowe są asymetrycznymi urządzeniami składającymi się z anody grafitowej z domieszką litu oraz katody z węgla aktywnego. Chociaż ruch ładunku odbywa się głównie elektrochemicznie, to jednak na znacznie mniejszej głębokości w porównaniu z baterią litowo-jonową.

Oprócz innych atrybutów omawiane połączenie technologii skutkuje bardzo wysoką liczbą użytecznych cykli (typowe jest co najmniej 500 tysięcy cykli) i bardzo szybką reakcją na znaczne wielkości wypływu (ilustracja 4).

Ilustracja 4: Oprócz innych zalet superkondensator hybrydowy pokonuje ograniczenia związane z cyklem ładowania-rozładowania oraz wielkością wypływu, występujące w przypadku baterii. (Źródło ilustracji: Eaton - Electronics Division)

Dodatkową zaletą jest brak tlenków metali, dzięki czemu hybrydowe superkondensatory nie stwarzają ryzyka pożaru ani niekontrolowanego wzrostu temperatury. Charakterystyka wyjściowa w zależności od poziomu naładowania jest również zgodna z potrzebami niskonapięciowych systemów małej mocy (ilustracja 5).

Ilustracja 5: Charakterystyka wyjściowa rozładowania superkondensatora hybrydowego leży pomiędzy charakterystyką baterii i standardowego superkondensatora. (Źródło ilustracji: Eaton - Electronics Division)

Podobnie jak w przypadku wszystkich komponentów i podejść projektowych, każde rozwiązanie w zakresie magazynowania energii obejmuje kompromisy w zakresie parametrów działania i możliwości. Tabela 1 zestawia pozytywne („+”) i negatywne („-”) atrybuty dla typowych przypadków.

Tabela 1: Porównanie typowych cech baterii, superkondensatora i superkondensatora hybrydowego wskazuje, że rozwiązanie hybrydowe łączy najlepsze cechy obu rozwiązań. (Źródło tabeli: autor, na podstawie danych z firmy Electronics Division)

Doświadczeni inżynierowie wiedzą, że żadne pojedyncze podejście nie jest idealne, jednak często pojedyncza pozytywna cecha jednego z dostępnych rozwiązań jest tak istotna, że przeważa nad każdym innym podejściem. Dlatego też o ostatecznym rozwiązaniu przesądzają wymagania systemu.

Superkondensatory hybrydowe obejmują cały zakres pojemności i wydajności energetycznej

W przeciwieństwie do niektórych specjalistycznych komponentów, które oferują tylko ograniczony przedział specyfikacji, superkondensatory hybrydowe są dostępne w dość szerokim zakresie wydajności. Na przykład w dolnej części tego zakresu znajduje się urządzenie HS1016-3R8306-R o pojemności 30F należące do serii HS cylindrycznych, hybrydowych ogniw superkondensatorowych firmy Eaton, mierzące 18mm długości i 10,5mm średnicy (ilustracja 6).

Urządzenie HS1016-3R8306-R ma napięcie robocze 3,8V, a jego krytyczna specyfikacja dla początkowej równoważnej rezystancji szeregowej (ESR) jest niska i wynosi 550mΩ, co przekłada się na dość dużą gęstość mocy - aż ośmiokrotnie większą niż w przypadku standardowego superkondensatora. Może ono dostarczać prąd ciągły o natężeniu 0,15A (maksymalnie 2,7A), a jego pojemność magazynowania energii wynosi 40mWh. Podobnie jak wszystkie produkty z serii HS, podsiada ono aprobatę UL, co znacznie upraszcza cały proces zatwierdzania produktu.

Hybrydowy superkondensator o większej pojemności z tej samej grupy, HS1625-3R8227-R to cylindryczne urządzenie o pojemności 220F, wymiarach 27mm długości i 16,5mm średnicy, z równoważną rezystancją szeregową (ESR) równą 100mΩ, dostarczające maksymalnie 1,1A prądu ciągłego i 15,3A prądu szczytowego. Jego łączna pojemność magazynowania energii wynosi 293mWh.

Dzięki połączeniu pojemności, wydajności i specyfikacji fizycznych, superkondensatory hybrydowe firmy Eaton są dobrze przystosowane do dostarczania zasilania impulsowego dla łączy bezprzewodowych w inteligentnych licznikach samodzielnie lub równolegle z baterią. Są one również dobrym rozwiązaniem dla zasilania „podtrzymującego” podczas krótkich przerw lub spadków napięcia w procesach przemysłowych i programowalnych sterownikach logicznych, co pozwala na uniknięcie przestojów, które są często długie i mogą być spowodowane nawet krótkimi problemami z zasilaniem. Podobnie, podczas takich przerw w zasilaniu mogą one podtrzymywać ulotne pamięci podręczne, serwery i wielodyskowe macierze RAID w ośrodkach przetwarzania danych.

Podsumowanie

Dla projektantów systemów IoT superkondensatory hybrydowe są dobrą opcją magazynowania energii i dostarczania zasilania ze względu na ich wysoką gęstość energii, dużą liczbę użytecznych cykli i wyższe napięcie robocze. Rozwiązania tworzone przy użyciu tych superkondensatorów wymagają mniejszej liczby ogniw o mniejszej objętości w porównaniu ze standardowymi superkondensatorami, lepiej spełniając również wymagania dotyczące temperatury i trwałości niż same baterie. Omawiane komponenty hybrydowe eliminują trudne kompromisy i ułatwiają inżynierom-projektantom sprostanie wyśrubowanym celom projektowym.

Autor: Bill Schweber

Źródło ©: www.digikey.pl

Kontakt w Polsce

Arkadiusz Rataj

Sales Manager Central Eastern Europe & Turkey

Digi-Key Electronics Germany

0048 696 307 330

arkadiusz.rataj@digikey.com

poland.support@digikey.pl