Гибридные конденсаторы сочетают в себе преимущества батарей и ионисторов с базовыми компонентами от Eaton

Гибридные суперконденсаторы идеально подходят для питания систем IoT: они сочетают в себе высокую плотность энергии, длительный срок службы и относительно высокое рабочее напряжение.

Разработчики продуктов для различных приложений, от небольших узлов интернета вещей (IoT) и мониторинга запасов и интеллектуальных счетчиков до более крупных приложений, таких как резервное питание устройств и сообщения о состоянии, все больше нуждаются в независимом источнике перезаряжаемой энергии. Обычно выбор ограничивался электрохимической батареей, в основном основанной на литий-ионной химии, или двухслойным электрическим конденсатором (EDLC), часто также называемым суперконденсатором или ионистором. Проблема в том, что любая технология, используемая отдельно или в комбинации, имеет определенные ограничения, поэтому разработчики должны взвесить возможности и ограничения каждой технологии с их целями проектирования.

Эти цели, особенно для приложений IoT (интернет вещей) и IIoT (IIoT: Industrial Internet of Things / индустриальный интернет вещей) с низким энергопотреблением, обычно включают надежность, длительный срок службы, эффективность, плотность энергии и простоту использования, что приводит к более простому процессу проектирования и интеграции, более короткому времени разработки и меньшей стоимости проекта. Хотя для достижения этих целей вполне возможно использовать как литий-ионные батареи, так и суперконденсаторы (ионисторы), разработка и оптимизация любого подхода может оказаться весьма сложной задачей. Комплексный подход в таком случае может быть более подходящим.

В данной статье представлен разбор требований к конструкции источников питания IoT и к технологиям, лежащим в основе электрохимических батарей и суперконденсаторов, а также представлен альтернативный подход в виде гибридных компонентов накопителя энергии, которые сочетают в себе свойства батарей и иониторов в одном корпусе при использовании базовых компонентов от Eaton - Electronics Division, а также обсуждаются их свойства и области применения.

Системы интернета вещей требуют низкого энергопотребления и длительного срока службы

В последние годы наблюдается огромный рост приложений с низким энергопотреблением и низким рабочим циклом, которые могут работать от относительно небольших источников энергии. Хотя схемы в этих устройствах имеют рабочие токи в активном режиме от миллиампер до ампер, эти устройства часто имеют расширенную работу в режиме глубокого сна, который обычно затрачивает порядка микроампер. Использование в этих устройствах радиотехнологий с низким энергопотреблением, низкой скоростью передачи и малыми рабочими циклами, таких как LoRaWAN или Bluetooth Low Energy (BLE), также помогает минимизировать энергопотребление.

Для этих условий эксплуатации разработчики обычно рассматривали две технологии хранения энергии: литий-ионные аккумулятор или суперконденсатор (ионитор). Каждый из вариантов предлагает компромиссы с точки зрения энергоемкости и плотности, срока службы, напряжения на клеммах, саморазряда, диапазона рабочих температур, производительности при низкой и высокой скорости разряда и других факторов.

Основные отличия в технологиях хранения

Будь то первичный (неперезаряжаемый) или вторичный (перезаряжаемый) элемент, батарея в любом случае основана на электрохимических принципах. Батарея на основе лития содержит графитовый анод и катод из оксида металла с электролитом между ними, который обычно является жидким, но в некоторых конфигурациях может быть и твердым. Срок службы перезаряжаемых элементов обычно ограничивается несколькими тысячами циклов зарядки / разрядки из-за различных форм внутренней деградации.

Кроме того, для аккумуляторов требуется сложное управление элементами и аккумуляторными батареями для максимального увеличения срока службы, избегая таких проблем, как перезарядка, тепловой выход из строя или другие неисправности, которые могут привести к снижению производительности, разрушению элементов или даже возгоранию.

Суперконденсаторы или иониторы, напротив, накапливают энергию посредством физического процесса, а не химической реакции. Эти компоненты сконструированы симметрично, с электродами из активированного угля как со стороны анода, так и со стороны катода. Их зарядка и разрядка представляют собой электростатические процессы без химической реакции, а срок их службы практически неограничен. В отличие от батарей, их напряжение на клеммах падает линейно в зависимости от выходной энергии.

Технология суперконденсаторов – это относительно новая разработка в мире пассивных компонентов. До 1950-х и 1960-х годов размер конденсатора даже в один фарад был размером с комнату. В дальнейшем исследование материалов и поверхностных технологий привело к новым структурам производства и, в конечном итоге, к тому, что было названо суперконденсатором, который обеспечивает десятки и даже сотни фарад в компоненте, сопоставимом по размеру с другими пассивными компонентами.

Варианты топологии с компромиссами

Из-за фундаментальных различий в конструкции и производительности между батареями и суперконденсаторами проектировщики должны решить, использовать ли только один компонент накопителя энергии или объединить оба. При выборе комбинации они должны выбирать между различными топологиями с соответствующими компромиссами и последствиями с точки зрения производительности.

Параллельный подход является самым простым, но суперконденсатор развернут не оптимально, и его выходное напряжение напрямую связано с напряжением батареи.

Использование батареи и суперконденсатора в качестве независимых блоков работает лучше всего, когда есть некритическая базовая нагрузка и отдельная критическая нагрузка, поскольку каждая из них обеспечивает независимую энергию, но этот подход не использует преимущества какого-либо типа синергии между отдельными блоками.

Интеллектуальное устройство сочетает в себе возможности каждого источника энергии и максимизирует как время работы, так и срок службы, но для этого требуются дополнительные компоненты управления, такие как контроллер и регулирование постоянного / переменного тока между двумя источниками и нагрузкой; эта топология чаще всего используется в источниках питания, связанных с транспортом.

В таких топологиях выбор между батареей и суперконденсатором не является решением «или-или». Разработчики могут использовать и то, и другое, но использование батареи и суперконденсатора в сочетании ставит перед разработчиком задачу найти оптимальный баланс между их различными свойствами.

Хорошая новость заключается в том, что благодаря инновационному компоненту вам больше не придется сталкиваться с дилеммой «и / или» при принятии решения, использовать ли батареи, суперконденсаторы или и то, и другое. Семейство гибридных компонентов накопителя энергии от «Eaton - Electronics Division» сочетает в себе свойства обоих в одном корпусе.

Аргумент в пользу гибридных суперконденсаторов

Гибридные суперконденсаторы объединяют в себе структуры, лежащие в основе батарей и суперконденсаторов, в одном физическом блоке. Эти гибридные компоненты представляют собой не просто упаковку конкретной пары батареи и суперконденсатора в общий корпус. Вместо этого они представляют собой источники энергии, которые объединяют химию батареи с физикой суперконденсатора в единую структуру. В результате эти гибридные компоненты преодолевают отдельные недостатки батарей и суперконденсаторов, предлагая разработчикам явные преимущества в соответствии с проектными требованиями.

Гибридные суперконденсаторы представляют собой асимметричные компоненты с анодом из легированного литием графита и катодом из активированного угля. Движение заряда в основном электрохимическое, но протекает на гораздо меньшей «глубине», чем в литий-ионной батарее. Такое сочетание технологий приводит, среди прочего, к очень длительному сроку службы (обычно не менее 500 000 циклов) и очень быстрой реакции на высокие скорости разряда.

Дополнительным преимуществом является то, что в данной технологии не используются оксиды металлов, и поэтому эти гибридные суперконденсаторы не представляют риска возникновения пожара или теплового разгона. Выходные характеристики в зависимости от заряда соответствуют требованиям низковольтных систем с низким энергопотреблением.

Как и все компоненты и подходы к проектированию, каждое решение для хранения энергии предлагает компромисс с точки зрения производительности и возможностей.

Квалифицированные инженеры знают, что ни один подход не идеален, и часто один положительный атрибут одного из доступных решений настолько важен, что перекрывает все другие подходы. Следовательно, системные требования будут определять окончательное решение.

Гибридные суперконденсаторы охватывают диапазон в один фарад энергетической емкости

В отличие от некоторых специализированных компонентов, которые имеют ограниченное количество спецификаций, эти гибридные суперконденсаторы доступны в довольно широком диапазоне мощности. Например, в нижней части диапазона находится такие модели как HS1016-3R8306-R с 30 F из серии цилиндрических гибридных суперконденсаторных ячеек Eaton HS длиной 18 мм и диаметром 10,5 мм (рис. 6).

HS1016-3R8306-R имеет рабочее напряжение 3,8 В, а его критическая спецификация для начального ESR - низкое значение 550 мОм, что приводит к довольно высокой плотности мощности - до восьми раз больше, чем у стандартного суперконденсатора. Он может обеспечивать постоянный ток 0,15 А (до 2,7 А максимум) и имеет емкость до 40 мВтч. Как и все члены серии HS, он признан UL, что значительно упрощает весь процесс утверждения продукта на рынке.

Гибридный суперконденсатор с большей емкостью из того же семейства - HS1625-3R8227-R, цилиндрический компонент на 220 F, длиной 27 мм, диаметром 16,5 мм и ESR 100 мОм, который обеспечивает постоянный ток в 1 А и пиковый ток в 15,3 А. Его общая емкость хранения энергии составляет 293 мВтч.

Благодаря сочетанию емкости, производительности и физических характеристик гибридные суперконденсаторы от Eaton хорошо подходят для независимой подачи импульсного питания для беспроводных подключений в интеллектуальных счетчиках или параллельно с аккумулятором. Они также хорошо подходят для использования в случае кратковременных сбоев питания или падений напряжения в промышленных процессах и программируемых логических контроллерах, что позволяет избежать часто длительных простоев, которые могут вызвать даже кратковременные отключения питания. Они также могут поддерживать энергозависимую кэш-память, серверы и многодисковые системы хранения RAID в центрах обработки данных во время таких отключений электроэнергии.

Выводы

Для разработчиков систем IoT гибридные суперконденсаторы - хороший вариант для хранения энергии и электропитания благодаря их высокой плотности энергии, длительному сроку службы и более высокому рабочему напряжению. Эти гибридные суперконденсаторы позволяют использовать меньшее количество ячеек меньшего объема по сравнению со стандартными суперконденсаторами, в то же время отвечая требованиям по температуре и сроку службы лучше, чем только батареи. Устраняя сложные компромиссы, эти гибридные компоненты позволяют инженерам-конструкторам более легко достигать сложных целей проекта