Lithium iontová baterie nebo superkapacitor se mohou používat samostatně nebo v kombinaci. Každá tato technologie má své výhody, nevýhody a omezení, se kterými se musí při návrhu počítat. Nezávisle na zvolené technologii je obecným cílem návrhu vysoká spolehlivost, dlouhá životnost, účinnost, hustota uložené energie a snadné použití.

Tento článek vysvětlí požadavky návrhu napájení IoT zařízení s elektrochemickými bateriemi a EDLC superkondenátory. Poté si představíme hybridní řešení skladování energie, které kombinuje vlastnosti baterií a EDLC v jednom pouzdře. Mezi toto řešení patří komponenty z Eaton — Electronics Division.

Nízká spotřeba a dlouhá životnost

V posledních několika letech došlo k obrovskému růstu aplikací s velmi nízkou spotřebou, které mohou pracovat z relativně malých zdrojů energie. Ačkoli obvody v těchto zařízeních mají v aktivním režimu spotřebu v řádů miliampérů jejich rozšířený režim hlubokého spánku, ve kterém jsou podstatnou část svého času, spotřebovávají jen mikroampéry.

Bezdrátová konektivita také zaznamenala prudký vývoj v oblasti snížení spotřeby elektrické energie. Velkou měrou se o toto zasloužili nové technologie v podobě LoRaWAN nebo Bluetooth Low Energy. Obecně se pro skladování energie používá lithium iontová baterie nebo superkondenzátor. Liší se v energetické kapacitě a hustotě, životních cyklech, koncovém napětí, samovybíjením, rozsahu provozních teplot, výkonu při nízkých a vysokých rychlostech vybíjení a dalších faktorech.

Klíčové rozdíly v technologiích

Stručně řečeno, ať už se jedná o primární (nenabíjecí) nebo sekundární (dobíjecí) baterii, tak je založena na elektrochemickém principu. Baterie na bázi lithia obsahuje grafitovou anodu a katodu z oxidu kovu s vloženým elektrolytem, ​​který je obvykle kapalný, ale může být i pevný. Životnost dobíjecích článků je obvykle omezena na několik tisíc cyklů nabíjení / vybíjení kvůli různým formám vnitřní degradace.

Baterie navíc vyžadují sofistikovanou správu článků, aby se prodloužila provozní životnost a zároveň se zabránilo problémům, jako je přebíjení, tepelný únik nebo jiné poruchové stavy, které mohou mít za následek snížený výkon, zničení článků nebo dokonce požár. Jejich obrovskou výhodou je relativně plochý profil vybíjení (obrázek 1). To znamená, že výstupní napětí je téměř konstantní, dokud se článek téměř nevybije.

Obrázek 1: Profil vybíjecího cyklu Lithium iontového článku vykazuje téměř konstantní výstupní napětí, dokud se článek téměř nevybije. (Zdroj obrázku: Eaton – Electronics division)

Naproti tomu superkapacitory EDLC ukládají energii spíše fyzikálním elektrostatickým procesem než chemickou reakcí. Jedná se o symetrické součástky s elektrodami z aktivního uhlí na obou stranách anody a katody. Nabíjení a vybíjení jsou elektrostatické procesy bez chemických reakcí a jejich životnost je prakticky neomezená. Na rozdíl od baterií jejich svorkové napětí klesá lineárně v závislosti na dodávané energii (obrázek 2).

Obrázek 2: Na rozdíl od Lithium iontového článku výstupní napětí superkondenzátoru během vybíjení klesá, protože se snižuje množství uloženého náboje. (Zdroj obrázku: Eaton - divize elektroniky)

Výzkum materiálů a povrchových technologií vedl k novým strukturám a technikám výroby a nakonec superkondenzátory jsou schopny poskytnout kapacitu desítky až stovky farad v poměrně malé velikosti.

Kombinace baterie a superkapacitoru

Základní rozdíly ve vlastnostech mezi bateriemi a EDLC superkapacitory je nutné vzít v potaz při rozhodování se, zda použít pouze jeden typ zálohy energie nebo jejich kombinaci. Pokud se rozhodneme pro jejich kombinaci, musíme se pak rozhodnout mezi různými topologiemi zapojení (obrázek 3).

Obrázek 3: Superkondenzátory a baterie je možné kombinovat ve třech topologiích: (nahoře) paralelně, jako nezávislé jednotky (uprosřed) nebo kombinovaně pomocí driveru / regulátoru. (Zdroj obrázku: Eaton – Electronics division)

• Paralelní přístup je nejjednodušší, ale použití superkondenzátoru není optimální a jeho výstupní napětí je přímo vázáno na napětí baterie.
• Použití baterie a superkondenzátoru jako samostatných jednotek funguje nejlépe, protože poskytuje nezávislé napájení. Tento přístup nenabízí výhodu jakéhokoli druhu synergie mezi samostatnými jednotkami.
• Inteligentní uspořádání kombinuje schopnosti každého zdroje energie a prodlužuje životnost. Vyžaduje však další komponenty pro správu, jako je řídicí jednotka a DC-DC regulátor mezi těmito dvěma zdroji a zátěží.

Použití baterie a superkondenzátoru v kombinaci vyžaduje nalezení optimální rovnováhy mezi jednotlivými vlastnostmi každého z nich. Rodina hybridních komponentů od společnosti Eaton – Electronics division kombinuje vlastnosti obou technologií v jednom pouzdře.

Hybridní superkapacitory

Hybridní superkondenzátory obsahují základní strukturu baterie i superkondenzátoru v jedné fyzické jednotce. Tyto hybridní komponenty nejsou jen jednoduchým zabalením samostatného páru baterie a superkondenzátoru do společného krytu. Jsou to zdroje energie, které spojují chemii baterie s fyzikální princip superkondenzátoru v jediné struktuře.

Hybridní superkondenzátory jsou asymetrické součástky, které obsahují grafitovou anodu dopovanou lithiem a katodu z aktivního uhlí. Pohyb náboje je hlavně na elektrochemické bázi. Mimo jiné má tato kombinace za následek velmi vysoký počet cyklů (typicky minimálně 500 000 cyklů) a velmi rychlou odezvu na vysoké rychlosti vybíjení (obrázek 4).

Obrázek 4: Hybridní superkondenzátor mimo jiné překonává baterii v počtu cyklů a rychlosti nabíjení / vybíjení. (Zdroj obrázku: Eaton – Electronics division)

Další výhodou je, že se nepoužívají žádné oxidy kovů, a proto tyto hybridní superkapacitory nepředstavují žádné riziko požáru nebo tepelného úniku. Výstupní charakteristiky navíc plně vyhovují nízkonapěťovým a nízkopříkonovým systémů (obrázek 5).

Obrázek 5: Profil vybíjení hybridního superkondenzátoru se nachází mezi profilem baterie a standardním superkondenzátorem. (Zdroj obrázku: Eaton - divize elektroniky)

Tabulka 1 ukazuje výhody („+“) a nevýhody („-“) jednotlivých technologií.

Tabulka 1: Porovnání vlastností baterie, superkondenzátoru a hybridního superkondenzátoru. Výsledkem je, že hybrid kombinuje to nejlepší z obou technologií. (Zdroj tabulky: Eaton – Electronics division)

Žádný jednotlivý přístup není dokonalý a mnohokrát jediná pozitivní vlastnost převládne. Proto výběr technologie vždy závisí na požadavcích dané aplikace.

Hybridní superkondenzátory mají široký rozsah kapacit

Hybridní superkondenzátory pokrývají poměrně široký rozsah výkonu a kapacity. Například superkapacitor HS1016-3R8306-R s kapacitou 30 F v Eaton HS Series je válcového tvaru o rozměrech 18 mm na délku a průměru 10,5 mm (Obrázek 6).

Obrázek 6: Eaton HS1016-3R8306-R s kapacitou 30 F v řadě HS od společnosti Eaton. (Zdroj obrázku: Eaton – Eletronics division)

HS1016-3R8306-R má provozní napětí 3,8 V a jeho ESR je nízké, a to 550 mΩ. Tím se dosáhne poměrně vysoká hustota výkonu, až osmkrát více než u standardního superkondenzátoru. Hybridní superkondenzátor je schopen poskytovat nepřetržitý proud o velikosti 0,15 A a až 2,7 A špičkově. Jeho celková kapacita uložené energie je 40 mWh. Všechny komponenty řady HS plně vyhovují standardům certifikační organizace UL, a to výrazně zjednodušuje celkový proces schvalování produktu.

Větší kapacitu nabízí hybridní superkapacitor HS1625-3R8227-R s kapacitou 220 F s délkou 27 mm a průměrem 16,5 mm. Jeho ESR je 100 mΩ a je schopen dodávat nepřetržitě až 1,1 A a špičkově až 15,3 A. Jeho celková kapacita uložené energie je 293 mWh.

Díky kapacitě, výkonu a fyzických rozměrech jsou hybridní superkondenzátory Eaton vhodné pro bezdrátové inteligentní měřiče, kde proud dramaticky naroste při vysílání telegramů. Jsou vhodnou volbou pro překlenutí krátkých výpadků v průmyslových procesech a programovatelných logických řadičích, čímž se zabrání výsledným a často zdlouhavým prostojům. Podobně mohou během takových výpadků napájení podporovat energeticky závislou mezipaměť, servery a RAID úložiště v datových centrech.

Závěr

Hybridní superkondenzátory jsou dobrou volbou pro skladování a dodávku energie kvůli jejich vysoké hustotě energie, dlouhé životnosti cyklu a vyššímu pracovnímu napětí. Výsledný produkt může být mnohem menší ve srovnání se standardními superkondenzátory a zároveň mají lepší vlastnosti ohledně teploty a životnosti než samotné lithium iontové baterie. Hybridní komponenty umožňují snáze splnit náročné požadavky inteligentních aplikací.

Další informace:

1. Hybridní, vysoce výkonné 3,8 V superkondenzátory - řada HS
2. Hybridní vysoce výkonné superkondenzátory dosahují výrazně vyšších hustot energie než standardní řešení
3. HS Hybridní superkondenzátor
4. Technologie hybridního superkapacitoru (video)

Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com, autorem je Bill Schweber.