Gebruik hybriden om de voordelen van zowel batterijen als supercondensators te combineren om IoT-ontwerpen van stroom te voorzien

Ontwerpers van producten voor toepassingen variërend van kleinschalige IoT-knooppunten, het traceren van activa en slimme meters tot grotere toepassingen zoals noodstroomvoorziening voor apparatuur en statusrapportage, hebben steeds vaker een onafhankelijke bron van oplaadbare energie nodig. Gewoonlijk is hun keuze beperkt tot een elektrochemische batterij, gewoonlijk gebaseerd op lithium (Li) ionenchemie, of een elektrische dubbellaagse condensator (EDLC), vaak supercapacitor of supercap genoemd. Het probleem is dat elke technologie, of zij nu alleen of in combinatie wordt gebruikt, bepaalde beperkingen inhoudt, zodat de ontwikkelaars de mogelijkheden en beperkingen van elke technologie moeten afwegen tegen hun ontwerpdoelstellingen.

Deze doelstellingen, met name voor IoT- en industriële IoT-toepassingen met een laag vermogen (IIoT), omvatten doorgaans betrouwbaarheid, een lange levensduur, efficiëntie, energiedichtheid en gebruiksgemak, wat leidt tot een eenvoudiger ontwerp- en integratieproces, een kortere ontwikkelingstijd en lagere projectkosten. Hoewel het perfect haalbaar is om zowel Li-ion als EDLC's te gebruiken om deze doelen te bereiken, kan het ontwerpen en optimaliseren van beide benaderingen een complexe onderneming zijn. Een geïntegreerde aanpak is wellicht geschikter.

Dit artikel bespreekt de vereisten van IoT stroomontwerpen en de technologieën achter elektrochemische batterijen en EDLC's. Vervolgens wordt een alternatieve aanpak geïntroduceerd in de vorm van hybride energieopslagcomponenten die de eigenschappen van batterijen en EDLC's in één pakket combineren. In dit artikel worden voorbeeldapparaten van Eaton - Electronics Division voorgesteld en hun kenmerken en toepassingen besproken.

IoT-systemen vragen om laag vermogen, lange levensduur

De laatste jaren is er een enorme groei geweest in toepassingen met een laag vermogen en een lage duty-cycle, die kunnen werken met relatief kleine stroombronnen. Hoewel de schakelingen in deze toestellen actieve werkingsstromen hebben die variëren van milliampères tot ampères, werken deze toestellen vaak gedurende lange tijd in diepe slaapmodi waarvoor gewoonlijk slechts microampères nodig zijn. Het gebruik in deze toestellen van draadloze technologieën met een laag stroomverbruik, lage snelheid en lage duty-cycle, zoals LoRaWAN of Bluetooth low energy (BLE), draagt ook bij tot een minimaal stroomverbruik.

Voor deze bedrijfsomstandigheden hebben ontwerpers gewoonlijk twee energieopslagtechnologieën overwogen: een variant van de Li-ion batterij of een supercondensator. Elk van deze systemen levert een compromis op wat betreft energiecapaciteit en -dichtheid, levensduurcycli, eindspanning, zelfontlading, bedrijfstemperatuurbereik, prestaties bij lage en hoge ontladingssnelheden, en andere factoren.

Belangrijkste verschillen in opslagtechnologieën

Kortom, of het nu gaat om een primaire (niet-oplaadbare) of een secundaire (oplaadbare) cel, een batterij is gebaseerd op elektrochemische principes. Een lithiumbatterij bevat een grafietanode en een metaaloxidekathode, met een elektrolyt dat gewoonlijk vloeibaar is maar in sommige uitvoeringen vast kan zijn. De levensduur van oplaadbare cellen is doorgaans beperkt tot enkele duizenden laad/ontlaadcycli als gevolg van diverse vormen van interne degradatie.

Bovendien vereisen batterijen een geavanceerd cel- en batterijpakbeheer om de levensduur te maximaliseren en problemen te voorkomen zoals overladen, thermische runaway of andere foutcondities die kunnen resulteren in verminderde prestaties, celvernietiging of zelfs brand. Voor ontwerpers vereenvoudigt het relatief vlakke ontladingsprofiel van deze batterijen de circuitimplementatie (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: Het ontladingscyclusprofiel van een typische Li-ion-cel vertoont een bijna constante uitgangsspanning tot de cel bijna volledig ontladen is. (Afbeelding bron: Eaton - Electronics Division)

EDLC's daarentegen slaan energie op door middel van een fysisch proces in plaats van een chemische reactie. Deze toestellen zijn symmetrisch met actieve-koolelektroden aan zowel de anode- als de kathodezijde. Het opladen en ontladen zijn elektrostatische processen zonder chemische reactie, en hun levensduur is praktisch onbeperkt. In tegenstelling tot batterijen daalt de eindspanning lineair als functie van de geleverde energie (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: In tegenstelling tot een Li-ion-cel neemt de uitgangsspanning van een supercondensator gestaag af naarmate de opgeslagen lading wordt afgestaan. (Afbeelding bron: Eaton - Electronics Division)

EDLC-technologie is een relatief nieuwe ontwikkeling in de wereld van passieve componenten. Zelfs in de jaren 1950 en 1960 was de conventionele wijsheid dat een condensator van zelfs maar één farad de grootte van een kamer zou hebben. In plaats daarvan leidde onderzoek naar materialen en oppervlaktetechnologieën tot nieuwe structuren en fabricagetechnieken, en uiteindelijk tot wat de supercondensator werd genoemd, die tientallen en zelfs honderden ampères levert in een pakket dat qua afmetingen vergelijkbaar is met andere basisdragers.

Topologie-opties hebben nadelen

Als gevolg van de fundamentele verschillen in ontwerp en prestaties tussen batterijen en EDLC's, moeten ontwerpers beslissen of zij slechts één energieopslagapparaat gebruiken of beide combineren. Kiezen zij voor een combinatie, dan moeten zij een keuze maken uit verschillende topologieën, elk met hun respectieve compromissen en implicaties met betrekking tot de prestaties (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: Ontwerpers kunnen een supercondensator en een batterij combineren volgens drie gangbare topologieën: (van bovenaf) parallel, als onafhankelijke eenheden, of gecombineerd via een regelaar/regulator. (Afbeelding bron: Eaton - Electronics Division)

• De parallelle aanpak is het eenvoudigst, maar het gebruik van de supercondensator is niet optimaal, en de uitgangsspanning ervan is rechtstreeks gekoppeld aan de accuspanning.
• Het gebruik van een batterij en een supercondensator als onafhankelijke eenheden werkt het best wanneer er een niet-kritische basisbelasting en een afzonderlijke kritische belasting is, aangezien het onafhankelijke stroom levert voor elk, maar deze aanpak biedt niet het voordeel van enige vorm van synergie tussen de afzonderlijke eenheden.
• De slimme opstelling combineert de mogelijkheden van elke energiebron en maximaliseert zowel de bedrijfstijd als de levensduur, maar vereist extra beheerscomponenten zoals een regelaar en DC-DC-regeling tussen de twee bronnen en de belasting; deze topologie wordt het meest gebruikt bij transportgerelateerde vermogenseenheden.

Bij het gebruik van topologieën zoals deze is de keuze tussen een batterij en een supercondensator geen "of/of"-beslissing. Ontwerpers kunnen ervoor kiezen beide te gebruiken, maar als een batterij en een supercondensator worden gecombineerd, staat de ontwerper voor de uitdaging het optimale evenwicht te vinden tussen de verschillende kenmerken van elk van beide.

Het goede nieuws is dat er dankzij een innovatief onderdeel geen "en/of"-dilemma meer is bij de keuze tussen batterijen, supercondensatoren, of beide. Een serie hybride energieopslagcomponenten van Eaton - Electronics Division, combineert de eigenschappen van beide in één pakket, waardoor compromissen overbodig worden.

Het pleidooi voor hybride supercondensators

Hybride supercondensators combineren de onderliggende structuren van zowel batterijen als supercondensators in één fysieke eenheid. Deze hybride componenten zijn niet gewoon een verpakking van een afzonderlijk batterij- en supercondensatorpaar in een gemeenschappelijke behuizing. In plaats daarvan zijn het energiebronnen die de chemie van een batterij en de fysica van een supercondensator in één enkele structuur verenigen. Het resultaat is dat deze hybride toestellen de afzonderlijke tekortkomingen van batterijen en supercondensators ondervangen en tegelijkertijd duidelijke voordelen bieden voor de ontwikkelaar bij het voldoen aan de ontwerpvereisten.

Hybride supercondensators zijn asymmetrische toestellen met een Li-gedoteerde grafietanode en een actieve koolstofkathode. Hoewel de ladingsbeweging hoofdzakelijk elektrochemisch gebeurt, is dit op een aanzienlijk geringere diepte in vergelijking met de Li-ion-batterij.

Deze combinatie van technologieën resulteert onder meer in een zeer hoge levensduur (een minimum van 500.000 cycli is gebruikelijk) en een zeer snelle reactie op hoge ontladingssnelheden (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: De hybride supercondensator overwint de beperkingen van de laad/ontlaadcyclus en de snelheid van een batterij, naast andere voordelen. (Afbeelding bron: Eaton - Electronics Division)

Een bijkomend voordeel is dat er geen metaaloxiden worden gebruikt en dat deze hybride supercondensator dus geen enkel risico van brand of thermische runaway inhouden. De uitgangskarakteristieken ten opzichte van het oplaadniveau zijn ook compatibel met de behoeften van systemen met een lage spanning en laag vermogen (figuur 5).

Afbeelding 5: Het uitgangsontladingsprofiel van de hybride supercondensator ligt tussen dat van een batterij en een standaard supercondensator. (Afbeelding bron: Eaton - Electronics Division)

Zoals met alle componenten en ontwerpbenaderingen het geval is, biedt elke energieopslagoplossing compromissen qua prestaties en mogelijkheden. Tabel 1 toont de positieve ("+") en negatieve ("-") kenmerken van deze ten opzichte van elkaar, voor typische gevallen.

Tabel 1: Uit een vergelijking van de typische kenmerken van een batterij, een supercondensator en een hybride supercondensator blijkt dat de hybride het beste van beide combineert. (Bron: De auteur, op basis van gegevens van Eaton - Electronics Division)

Ervaren ingenieurs weten dat geen enkele aanpak perfect is, en vaak is één enkel positief kenmerk van één van de beschikbare oplossingen zo essentieel dat het alle andere benaderingen terzijde schuift. Daarom zullen de systeemvereisten de uiteindelijke oplossing dicteren.

Hybride supercondensators overspannen het farad/energie-capaciteitsbereik

In tegenstelling tot sommige gespecialiseerde componenten die slechts een beperkt aantal specificaties bieden, zijn deze hybride supercondensators verkrijgbaar over een vrij breed prestatiebereik. Aan de onderkant van het gamma bevindt zich bijvoorbeeld de HS1016-3R8306-R, een 30 F-eenheid in Eatons HS-serie van cilindrische hybride supercondensatorcellen, met een lengte van 18 mm en een diameter van 10,5 mm (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: De Eaton HS1016-3R8306-R is een 30 F eenheid in de HS-serie van cilindrische hybride supercondensatorcellen. (Afbeelding bron: Eaton - Electronics Division)

De HS1016-3R8306-R heeft een bedrijfsspanning van 3,8 Volt, en de kritische specificatie voor de aanvankelijke ESR is een lage 550 mΩ, hetgeen resulteert in een vrij hoge vermogensdichtheid - maar liefst acht keer zo hoog als die van een standaard supercondensator. Hij kan 0,15 A continue stroom leveren (tot 2,7 A maximaal) en heeft een opgeslagen energiecapaciteit van 40 mWh. Zoals alle leden van de HS-serie is hij UL-erkend, wat het algemene goedkeuringsproces voor producten aanzienlijk vereenvoudigt.

Voor een hybride supercondensator met een grotere capaciteit in dezelfde familie is er de HS1625-3R8227-R, een cilindervormig 220 F-apparaat met afmetingen van 27 mm lang en 16,5 mm diameter, met een ESR van 100 mΩ dat tot 1,1 A continue stroom en 15,3 A piekstroom levert. De totale energieopslagcapaciteit bedraagt 293 mWh.

Met hun combinatie van capaciteit, prestaties en fysieke specificaties zijn de hybride supercondensators van Eaton zeer geschikt voor het leveren van standalone pulsvermogen voor draadloze verbindingen in slimme meters of in parallel met een batterij. Zij zijn ook geschikt om de stroomvoorziening tijdens korte stroomonderbrekingen of brown-outs in industriële proces- en programmeerbare logische controllers te "ride-throughen", zodat de daaruit voortvloeiende en vaak langdurige uitvaltijd, die zelfs een kortstondig stroomprobleem kan veroorzaken, wordt vermeden. Evenzo kunnen zij vluchtige cachegeheugens, servers en multidisc RAID storge in datacentra ondersteunen tijdens dergelijke stroomonderbrekingen.

Conclusie

Voor ontwerpers van IoT-systemen zijn hybride supercondensators een goede optie voor energieopslag en stroomlevering, vanwege hun hoge energiedichtheid, lange cyclusduur en hogere werkspanning. Ontwerpen met deze hybride supercondensators kunnen minder cellen en een kleiner volume vergen in vergelijking met standaard supercondensators, terwijl ze ook beter voldoen aan de temperatuur- en levensduurvereisten dan batterijen alleen. Doordat deze hybride componenten moeilijke afwegingen en compromissen overbodig maken, kunnen ontwerpers gemakkelijker voldoen aan uitdagende projectdoelstellingen.

Aanbevolen

1. Hybride, 3,8 V supercondensators met hoog vermogen - HS-serie
2. Hybride supercondensators met hoog vermogen bereiken aanzienlijk hogere energiedichtheden dan standaardoplossingen
3. HS Hybride supercondensator white paper
4. Overzicht van hybride supercondensatortechnologie (video)