magyar elektronika

E-mail cím:*

Név:

{a-feliratkozással-elfogadja-az-adl-kiadó-kft-adatvédelmi-és-adatkezelési-tájékoztatóját-1}

Digi lidLegyen szó kisméretű (tárgyak internete, azaz) IoT-alapú csomópontokról, tárgyi eszközök követéséről, intelligens mérésről vagy nagyobb méretű alkalmazásokról, például berendezések tartalék energiaellátásának biztosításáról és állapotjelentések küldéséről, ezen rendszerek tervezői egyre inkább igénylik a független, újratölthető áramforrások jelenlétét.

 

Hagyományosan a választási lehetőség általában kimerült abban, hogy lehetett választani egy lítiumion-technológiás elektrokémiai akkumulátor vagy egy elektromos duplaréteg-kondenzátor (más néven szuperkondenzátor) között. A probléma az, hogy akár önmagukban, akár kombinálva használják őket, mindkét technológia veleszületett korlátokat hoz magával, ezért a fejlesztőknek mindig egyensúlyba kell hozniuk az adott technológia nyújtotta lehetőségeket és annak korlátait a tervezési szempontokkal.
Ilyen jellemző szempontok, különösen az alacsony fogyasztású IoT és ipari IoT (IIoT) alkalmazások esetében a megbízhatóság, a hosszú élettartam, a hatékonyság, az energiasűrűség és a könnyű használat, ami egyszerűbb tervezési és integrációs folyamatot, rövidebb fejlesztési időt és alacsonyabb projektköltséget eredményez. Bár a Li-ion és a szuperkondenzátorok (EDLC-k) együttes használatával ezek a célok tökéletesen megvalósíthatók, egy mindkét komponensre optimalizált kialakítás megtervezése gyakran komplex feladat – ehelyett járhatóbb út lehet, ha integráljuk e két elemet.
Ebben a cikkben az IoT rendszerek energiaellátási követelményei, valamint az elektrokémiai akkumulátorok és a szuperkondenzátorok (EDLC-k) technológiáinak leírása található. Ezután a hibrid energiatároló eszközök tárgyalásával bemutatunk egy alternatív, integrált megközelítést, ahol egyetlen tok tartalmazza egyesítve az akkumulátorok és az EDLC-k tulajdonságait is, majd példaként bemutatunk néhány terméket az Eaton – Electronics Division gyártótól, azok műszaki jellemzőivel és alkalmazásukkal együtt.

 

Az IoT-rendszereknél alacsony fogyasztásra és hosszú élettartamra van szükség

Az elmúlt néhány évben óriási növekedés volt tapasztalható az alacsony fogyasztású, viszonylag rövid bekapcsolási időtartamú alkalmazások terén, amelyek működése viszonylag kis energiaforrásokból biztosítható. Bár aktív üzemmódban az ilyen eszközök áramfelvétele milliamperektől amperekig terjed, gyakran rendelkeznek mélyalvó üzemmóddal is, amikor táplálásukhoz általában csak mikroamperekre van szükség. Ezen alacsony fogyasztású, alacsony sebességű és viszonylag rövid bekapcsolási időtartamú eszközökben az alacsony áramigényű vezeték nélküli technológiák, például a LoRaWAN vagy a Bluetooth Low Energy (BLE) szintén hozzájárulnak az energiafogyasztás minimalizálásához. Ezen üzemi körülmények esetén a tervezők jellemzően két energiatárolási technológia egyikét alkalmazták: a Li-ion akkumulátorok valamely változatát vagy egy szuperkondenzátort. Mindegyikük kompromisszumokat von maga után az energiatárolási képeség, az energiasűrűség, a működési élettartam (ciklusszám), a kapcsok feszültsége, az önkisülés, az üzemi hőmérséklet-tartomány, a kisütési sebesség és egyéb tényezők tekintetében.

 

A tárolási technológiák főbb különbségei

Akár primer (nem újratölthető), akár szekunder (újratölthető) akkumulátorról van szó, mindkettő működése elektrokémiai alapokon nyugszik. A lítium-alapú akkumulátorok egy grafit anódot és egy fém-oxid katódot tartalmaznak, amelyek között egy általában folyékony, de bizonyos kialakításokban akár szilárd halmazállapotú elektrolit található. Az újratölthető akkumulátorok élettartama a különböző típusú belső degradációk miatt általában korlátozott, és kimerül legfeljebb néhány ezer töltési/kisütési ciklusban. Ezenkívül az akkumulátoroknál élettartamuk maximalizálása és a különböző problémák elkerülése érdekében a cellák vagy elempakkok kifinomult kezelésére van szükség, mivel például a túltöltés, a hőinstabilitás vagy más olyan hibaállapotok, amelyek csökkenthetik a teljesítményt, tönkretehetik a cellákat vagy akár tüzet is okozhatnak. A tervezők számára az ilyen akkumulátorokra jellemző viszonylag lapos kisütési görbe leegyszerűsíti az áramkörök megvalósítását (1. ábra).

 

Digi 1 m

1. ábra Egy tipikus Li-ioncella kisütési ciklusának görbéjén megfigyelhető a közel állandó kimeneti feszültség, amíg a cella a teljes kisülési állapot közelébe nem kerül (Kép: Eaton – Electronics Division)

 


Ezzel szemben a szuperkondenzátorok az energiát nem kémiai reakció, hanem fizikai folyamat segítségével tárolják. Ezek az eszközök szimmetrikusak, és az anód- és katódoldalon egyaránt rendelkeznek aktív szénelektródokkal. Töltésük és kisülésük elektrosztatikus folyamat, kémiai reakció nélkül zajlik, és a ciklusokat tekintve élettartamuk gyakorlatilag korlátlan. Az akkumulátorokkal ellentétben a kapocsfeszültségük a leadott energia függvényében lineárisan csökken (2. ábra).

 

Digi 2

2. ábra Egy Li-ioncellával ellentétben a szuperkondenzátor kimeneti feszültsége
a tárolt töltés leadása közben folyamatosan csökken (Kép: Eaton – Electronics Division)

 


A szuperkondenzátoros technológia egy viszonylag új fejlesztés a passzív alkatrészek világában. Az általános nézet még az 1950-es és 1960-as években is az volt, hogy csupán egy farad kapacitású kondenzátorhoz is legalább egy szobányi helyre van szükség. Az anyagok és a felületi technológiák kutatása terén elért eredmények azonban új struktúrák és gyártási technológiák, majd végül a szuperkondenzátoroknak elnevezett termékek kifejlesztéséhez vezettek, amelyek több tíz, sőt több száz farad értékűek más közönséges passzív alkatrészekhez hasonló méretű tokozásban.

 

Különböző topológiák, különböző kompromisszumok

Az akkumulátorok és a szuperkondenzátorok alapvetően eltérő felépítése és működése miatt a tervezőknek dönteniük kell, hogy csak az egyik típusú energiatároló eszközt fogják-e használni, vagy pedig a kettő kombinációját. Ha kombinálásuk mellett döntenek, akkor különböző topológiák közül kell választaniuk, amelyek mindegyike a működést tekintve kompromisszumokkal és következményekkel jár (3. ábra).

 

Digi 3

3. ábra A tervezők egy szuperkondenzátor és egy akkumulátor kombinálásakor általában három gyakori kapcsolást alkalmazhatnak: (fentről) párhuzamos kapcsolást, független egységeket vagy vezérlővel/szabályozóval irányított kombinációt (Kép: Eaton – Electronics Division)

 

  • A legegyszerűbb párhuzamosan kapcsolni őket, de a szuperkondenzátor használata ezzel nem optimalizált, és kimeneti feszültsége közvetlenül az akkumulátor feszültségére van kapcsolva.
  • Független egységekként egy nem kritikus alapterhelés és egy különálló kritikus terhelés esetén teljesítenek az akkumulátorok és a szuperkondenzátorok legjobban. Az energia ennek megfelelően mindkét terhelés számára két egymástól független forrásból biztosított, de ilyen megközelítés esetén e két különálló tápforrás egymást kiegészítő együtthatása nem érvényesíthető.
  • Intelligens elrendezésben a két különálló energiaforrás képességei egyesítve vannak, és ez egyaránt maximalizálja az üzemidőt és a feltöltési/kisütési ciklusszámot is, de ilyenkor további szabályozó alkatrészekre van szükség, például vezérlőre és DC-DC szabályozásra a két forrás és a terhelés között. Ezt a topológiát leggyakrabban a szállítási alkalmazásokban található tápegységeknél használják.

Ezeknek a topológiáknak az alkalmazásakor nem arról van szó, hogy választani kell az akkumulátor és a szuperkondenzátor használata között. A tervezők dönthetnek mindkettő beépítése mellett, de az akkumulátor és a szuperkondenzátor együttes alkalmazására meg kell találni az optimális egyensúlyt a két eszköz eltérő jellemzői között.
A jó hír az, hogy egy új alkatrésznek köszönhetően már nem egy „és/vagy” dilemma annak eldöntése, hogy akkumulátort, szuperkondenzátort vagy mindkettőt használjunk-e. Az Eaton – Electronics Division hibrid energiatároló alkatrészcsaládja mindkét elem tulajdonságait ötvözi egyetlen tokban, amivel kompromisszumok meghozatalára nincs szükség.

 

A hibrid szuperkondenzátorok mellett szóló érvek

A hibrid szuperkondenzátoroknál az akkumulátorok és a szuperkondenzátorok alapstruktúráit egyetlen fizikai elem tartalmazza egyesített formában. Ezeknél a hibrid alkatrészeknél nem arról van szó, hogy egy különálló akkumulátor és egy különálló szuperkondenzátor van elhelyezve egy közös házban, hanem olyan energiaforrások, amelyeknél egyesített formában egyetlen struktúra tartalmazza az akkumulátorok kémiai és a szuperkondenzátorok fizikai jellemzőit. Ennek eredményeképpen ezeknél a hibrid eszközöknél az akkumulátorok és a szuperkondenzátorok különálló hiányosságai eltűnnek, miközben egyértelmű előnyöket biztosítanak a fejlesztők számára a tervezési követelményeknek való megfelelés tekintetében.
A hibrid szuperkondenzátorok olyan aszimmetrikus eszközök, amelyek egy lítiummal szennyezett grafit anódból és egy aktív szén katódból állnak. Bár a töltéshordozók mozgása elsősorban elektrokémiai úton megy végbe, ez lényegesen kisebb mélységben történik, mint a Li-ion akkumulátoroknál.
A technológiáknak ez a kombinálása többek között nagyon magas ciklusszámot (ez jellemzően legalább 500 000) eredményez és nagyon gyors választ nagy kisütési sebességek esetén (4. ábra).

 

Digi 4

4. ábra A hibrid szuperkondenzátoroknál – egyéb előnyeik mellett – nincsenek jelen a töltési/kisütési ciklusok számára és a sebességekre vonatkozó korlátok, amelyek az akkumulátorokra jellemzők (Kép: Eaton – Electronics Division)

 


További előnyük, hogy nem tartalmaznak fémoxidokat, ezért ezek a hibrid szuperkondenzátorok nem jelentenek tűzveszélyt, és a hőinstabilitás sincs jelen. A töltésszinttől függő kimeneti jellemzők szintén összeegyeztethetők az alacsony feszültségű és fogyasztású rendszerek igényeivel (5. ábra).

 

Digi 5

5. ábra A hibrid szuperkondenzátoroknál a kimeneti kisütési görbe valahol az akkumulátorok és a hagyományos szuperkondenzátorok görbéi között található (Kép: Eaton – Electronics Division)

 


Mint minden alkatrész és tervezési megközelítés esetében, minden energiatárolási megoldás is kompromisszumokat von maga után a teljesítmény és a lehetőségek tekintetében. Az 1. táblázatban egymáshoz viszonyítva ezek pozitív („+”) és negatív („-”) oldalai találhatók, tipikus esetekre vonatkozólag.

 

Digi tablazat

1. táblázat Az akkumulátorok, a szuperkondenzátorok és a hibrid szuperkondenzátorok műszaki jellemzőinek összehasonlításával kiderül, hogy a hibridekben egyesítve mindkét előző elem legjobb tulajdonságai találhatók meg (Táblázat forrása: a szerző, az Eaton – Electronics Division adatainak felhasználásával)

 


A tapasztalt mérnökök tudják, hogy egyetlen megközelítés sem tökéletes, és sokszor egy lehetséges megoldás egyetlen pozitív tulajdonsága olyannyira fontos, hogy felülbírálja az összes többi lehetőség alkalmazását. A végső döntés és megoldás ezért a rendszerkövetelményektől függ.

 

A hibrid szuperkondenzátorok lefedik a teljes kapacitástartományt

Néhány speciális alkatrésszel ellentétben, amelyek műszaki jellemzői korlátozottak, ezekkel a hibrid szuperkondenzátorokkal meglehetősen széles működési tartomány lefedhető. Belépő elemként létezik például a HS1016-3R8306-R, amely az Eaton HS Series hengeres hibrid szuperkondenzátor-cellákból álló, 18 mm hosszú, 10,5 mm átmérőjű, 30 F értékű darabja (6. ábra).

 

Digi 6

6. ábra Az Eaton HS1016-3R8306-R egy 30 F értékű darab a HS-sorozathoz tartozó hengeres hibrid szuperkondenzátor-cellákból (Kép: Eaton – Electronics Division)

 


A HS1016-3R8306-R üzemi feszültsége 3,8 V, és a kezdeti ESR-re vonatkozó kritikus jellemzője alacsony, mindössze 550 mΩ, ami meglehetősen nagy teljesítménysűrűséget eredményez – akár nyolcszor nagyobbat, mint egy hagyományos szuperkondenzátornál. A kondenzátor 0,15 A erősségű áram folyamatos leadására képes (maximálisan 2,7 A-ig), energiatárolási kapacitása pedig 40 mWh. A HS-sorozat minden tagjához hasonlóan ez is rendelkezik UL-tanúsítvánnyal, ami nagymértékben leegyszerűsíti a termékjóváhagyási folyamat egészét.
Ugyanezen család nagyobb kapacitású hibrid szuperkondenzátora a HS1625-3R8227-R, amely egy 27 mm hosszú és 16,5 mm átmérőjű, henger alakú 220 F értékű eszköz, 100 mΩ ESR-rel, akár 1,1 A folyamatos és 15,3 A csúcsáramleadási képességgel. Teljes energiatárolási kapacitása 293 mWh.
A kapacitásuk, a teljesítményük és fizikai műszaki jellemzőik kombinációjával az Eaton hibrid szuperkondenzátorok jól alkalmazhatók az intelligens mérőberendezések vezeték nélküli kapcsolatainak önálló impulzusáram-ellátására, vagy ugyanerre egy akkumulátorral párhuzamosan. Az ipari folyamatok során a programozható logikai vezérlőkben a rövid ideig tartó áramkimaradások vagy áramszünetek átvészelésére is igen alkalmasak, ezért az ezekből adódó, gyakran hosszadalmas leállások elkerülhetők, amelyeket kiválthat csupán egy rövid ideig tartó áramellátási probléma is. Hasonló feladatot tölthetnek be az illékony gyorsítótár-memóriák, a szerverek és az adatközpontok többlemezes RAID-tárolói esetében az áramkimaradások esetén.

 

Összegzés

Az IoT-rendszerek tervezői számára a hibrid szuperkondenzátorok a nagy energiasűrűségük, a nagy ciklusszámuk (működési élettartamuk) és a magasabb üzemi feszültségük miatt jó választásnak bizonyulnak az energiatárolás és az energiaellátás szempontjából. Az ilyen hibrid szuperkondenzátorokkal épített konstrukcióknál kevesebb cellára és kisebb térfogatra van szükség a csak hagyományos szuperkondenzátorokkal megvalósított kialakításokhoz képest, miközben a hőmérsékleti és az élettartamra vonatkozó követelményeknek is jobban megfelelnek az akkumulátoroknál. A nehéz választások és kompromisszumok megszüntetésével ezek a hibrid eszközök lehetővé teszik a tervezőmérnökök számára a nagyobb kihívást jelentő projektcélok teljesítését.

 

Digi Rolf HornSzerző: Rolf HornAlkalmazástechnikai mérnök,
Digi-Key Electronics

Digi-Key Electronics
www.digikey.hu

Angol nyelvű kapcsolat
Arkadiusz Rataj
Sales Manager Central Eastern Europe & Turkey
Digi-Key Electronics Germany
Tel.: +48 696 307 330
E-mail: arkadiusz.rataj@digikey.com