Hyödynnä hybridiratkaisujen avulla sekä akkujen että superkondensaattorien etuja IoT-laitteiden tehonsyötössä

Tuotesuunnittelijat tarvitsevat yhä useammin riippumattomia, ladattavia tehonlähteitä käyttökohteissa, jotka vaihtelevat pienistä esineiden internetin (Internet of Things, IoT) solmuista ja omaisuuden seurannasta sekä älymittauksesta laajempiin ratkaisuihin, kuten laitteiden varavoimaan ja tilaraportointiin. Tähän saakka on jouduttu tyypillisesti käyttämään yleensä litiumionikemiaan (Li) perustuvaa paristoa tai akkua tai kaksikerroksista kondensaattoria (EDLC) eli superkondensaattoria. Molempiin näistä teknologioista liittyy tiettyjä rajoituksia riippumatta siitä, käytetäänkö niitä erikseen vai yhdessä, joten suunnittelijat joutuvat punnitsemaan kummankin ratkaisun etuja ja rajoituksia suhteessa suunnittelun tavoitteisiin.

Nämä tavoitteet liittyvät etenkin vähävirtaisten IoT- ja teollisuuden IoT (IIoT) ‑sovellusten kohdalla tyypillisesti luotettavuuteen, pitkään käyttöikään, tehokkuuteen, energiatiheyteen ja helppokäyttöisyyteen, jotka helpottavat suunnittelua ja integrointia, lyhentävät kehitykseen kuluvaa aikaa ja alentavat projektin kustannuksia. Tavoitteet pystyy toki saavuttamaan käyttämällä Li-ion-teknologiaa ja EDLC-teknologiaa yhdessä, mutta molempien lähestymistapojen ottaminen huomioon suunnittelussa ja optimoinnissa voi olla hankalaa, joten integroitu lähestymistapa saattaa olla parempi ratkaisu.

Tässä artikkelissa käsitellään IoT-laitteiden tehosuunnittelua sekä sähkökemiallisten paristojen ja akkujen sekä EDLC-kondensaattoreiden teknologiaa. Sen jälkeen esitellään energian varastointiratkaisuksi hybridikomponentit, joissa akkujen/paristojen ja EDLC-kondensaattorien ominaisuudet yhdistyvät samassa paketissa. Artikkelissa esitellään Eaton — Electronics Division ‑yhtiön laitteita sekä käsitellään niiden ominaisuuksia ja käyttökohteita.

IoT-järjestelmissä tarvitaan alhaista tehoa ja pitkää käyttöikää

Melko pieniä virtalähteitä käyttävät vähävirtaiset käyttöjaksoltaan lyhyet sovellukset ovat yleistyneet valtavasti viime vuosina. Vaikka näissä laitteissa käytettävien virtapiirien aktiivisen tilan virrankulutus on milliampeerien tai ampeerien luokkaa, ne ovat pitkiä aikoja syvässä lepotilassa, jossa tehonkulutus on tyypillisesti vain mikroampeerien luokkaa. Myös LoRaWAN- tai Bluetooth Low Energy (BLE) ‑teknologian kaltaisten vähävirtaisten, tiedonsiirtonopeudeltaan alhaisten ja käyttöjaksoltaan lyhyiden langattomien teknologioiden käyttö tällaisissa laitteissa pienentää osaltaan niiden tehonkulutusta.

Suunnittelijat ovat käyttäneet tällaisissa käyttöolosuhteissa tyypillisesti kahta energian varastointiteknologiaa: jotakin Li-ion-akun tai ‑pariston versiota tai superkondensaattoria. Kummassakin vaihtoehdossa joutuu tinkimään joistakin ominaisuudesta: energiakapasiteetista ja ‑tiheydestä, käyttöjaksojen määrästä, lähtöjännitteestä, itsepurkauksesta, käyttölämpötila-alueesta, suorituskyvystä pienillä ja suurilla purkunopeuksilla sekä muista tekijöistä.

Varastointiteknologioiden tärkeimmät erot

Paristo (jota ei voi ladata) ja akku (jonka voi ladata) perustuvat sähkökemiaan. Litiumpohjaisessa paristossa tai akussa on grafiittianodi ja metallioksidikatodi, jotka on sijoitettu elektrolyyttiin (yleensä nestemäiseen, mutta elektrolyytti voi joissakin toteutuksissa olla kiinteäkin). Erilaiset sisäisen heikkenemisen muodot rajoittavat akkujen keston tyypillisesti joihinkin tuhansiin lataus- ja purkujaksoihin.

Akkujen käyttöiän maksimointi vaatii myös kehittynyttä kennojen ja akkuyksiköiden hallintaa. Tämän on samalla pystyttävä välttämään ylilatauksen, lämpöryntäyksen tai muiden vikatilojen kaltaiset ongelmat, jotka voivat heikentää suorituskykyä, tuhota kennoja tai jopa aiheuttaa tulipalon. Tällaisten akkujen ja paristojen suhteellisen tasainen purkausprofiili helpottaa piirin toteutusta (kuva 1).

Kuva 1: Tyypillisestä litiumionikennon purkausjaksoprofiilista nähdään, että lähtöjännite pysyy lähes vakiona, kunnes kenno on purkautunut melkein täysin. (Kuvan lähde: Eaton – Electronics Division)

Energia varastoidaan EDLC-kondensaattoreissa pikemminkin fyysisen prosessin kuin kemiallisen reaktion avulla. Nämä laitteet ovat symmetrisiä: niissä on aktiivihiilielektrodi sekä anodi- että katodipuolella. Niiden lataus ja purku ovat sähköstaattisia prosesseja, joissa ei tapahdu kemiallista reaktiota, ja ne kestävätkin käytännössä rajattoman monta käyttöjaksoa. Toisin kuin paristoissa, EDLC-kondensaattoreissa jännite laskee lineaarisesti vapautetun energian funktiona (kuva 2).

Kuva 2: Toisin kuin Li-ion-kennossa, superkondensaattorissa lähtöjännite laskee tasaisesti laitteeseen varastoidun varauksen purkautuessa. (Kuvan lähde: Eaton – Electronics Division)

EDLC-teknologia on passiivisten komponenttien maailmassa melko uusi tulokas. Vielä 1950- ja 1960-luvuilla ajateltiin, että vain yhdenkin faradin kondensaattori vaatisi tilaa kokonaisen huoneen verran. Materiaalien ja pintateknologioiden tutkimus johti kuitenkin uusiin rakenteisiin ja valmistustekniikoihin ja viimein niin sanottuihin superkondensaattoreihin, jotka tarjosivat kymmeniä tai jopa satoja faradeja muiden passiivisten peruslaitteiden kokoisissa koteloissa.

Eri topologiavaihtoehtojen ominaisuudet vaihtelevat

Akkujen ja EDLC-kondensaattoreiden perustavanlaatuisten suunnitteluun ja suorituskykyyn liittyvien erojen vuoksi suunnittelijat joutuvat päättämään, käytetäänkö sovelluksessa vain yhtä energian varastointilaitetta vai yhdistetäänkö siinä nämä molemmat vaihtoehdot. Jos käyttöön valitaan yhdistelmä, on lisäksi valittava sopiva topologia, joista kullakin on omat kompromissinsa ja vaikutuksensa suorituskyvyn kannalta (kuva 3).

Kuva 3: Suunnittelijat voivat yhdistää superkondensaattorin ja akun kolmessa yleisessä topologiassa: (ylhäältä alkaen) rinnakkain, itsenäisinä yksikköinä tai yhdistämällä ne ohjaimen tai säätimen kautta. (Kuvan lähde: Eaton – Electronics Division)

• Rinnankytkentä on yksinkertaisin vaihtoehto, mutta superkondensaattoria ei siinä käytetä optimaalisesti, ja lähtöjännite riippuu suoraan akun/pariston jännitteestä.
• Akun/pariston ja superkondensaattorin käyttö erillisinä laitteina on paras vaihtoehto, jos järjestelmässä on ei-kriittinen peruskuorma ja erillinen kriittinen kuorma. Laitteet syöttävät silloin tehoa erikseen kummallekin kuormalle, mutta koska laitteet ovat tässä ratkaisussa erilliset, mitään synergiaetuja ei saavuteta.
• Fiksussa asettelussa hyödynnetään kummankin energialähteen ominaisuuksia ja maksimoidaan sekä käyttöaika että toimintajaksojen määrä, mutta tähän ratkaisuun tarvitaan lisäksi ohjain ja kahden lähteen ja kuorman välinen DC-DC-regulointi. Tätä topologiaa käytetään yleisimmin kuljetukseen liittyvissä virtayksiköissä.

Tällaisessa topologiassa akun/pariston ja superkondensaattorin käyttö ei ole joko-tai-ratkaisu, vaan suunnittelijat voivat käyttää molempia laitteita. Akun/pariston ja superkondensaattorin yhdistelmää käytettäessä joudutaan kuitenkin ratkaisemaan, miten näiden kahden laitteen erilaiset ominaisuudet saadaan parhaiten tasapainoon.

Uuden, innovatiivisen komponentin ansiosta akkujen/paristojen, superkondensaattorien tai näiden yhdistelmän valinta ei kuitenkaan enää ole joko-tai-tilanne. Eaton – Electronics Divisionin energiavarastointiin tarkoitetuissa hybridikomponenteissa molempien laitteiden ominaisuudet yhdistyvät samassa paketissa, eikä kompromisseja tarvita.

Hybridisuperkondensaattorien edut

Hybridisuperkondensaattoreissa yhdistyvät sekä paristojen/akkujen että superkondensaattorien rakenteet yhdessä fyysisessä laitteessa. Hybridikomponentti ei ole vain samaan koteloon pakattu paristo/akku ja superkondensaattori, vaan näissä energialähteissä hyödynnetään sekä akun/pariston kemiaa että superkondensaattorin fysiikkaa yhdessä ja samassa rakenteessa. Näillä hybridilaitteilla voidaan ohittaa akkujen/paristojen ja superkondensaattorien huonot puolet, ja suunnittelija saa käyttöönsä selkeät edut, joiden avulla suunnitteluvaatimukset voidaan täyttää.

Hybridisuperkondensaattorit ovat asymmetrisiä laitteita, joihin kuuluu Li-seostettu grafiittianodi ja aktiivihiilikatodi. Vaikka latausliike on pääasiassa sähkökemiallinen, se on huomattavasti pienempi kuin Li-ioniakussa/-paristossa.

Tällä teknologiayhdistelmällä saavutetaan muun muassa hyvin suuri toimintajaksojen määrä (tyypillisesti vähintään 500 000 jaksoa) ja erittäin nopea vaste suurille purkausnopeuksille (kuva 4).

Kuva 4: Hybridisuperkondensaattori ratkaisee muun muassa pariston/akun lataus-/purkujaksojen määrään ja nopeuteen liittyvät rajoitukset. (Kuvan lähde: Eaton – Electronics Division)

Laitteessa ei myöskään käytetä metallioksideja, minkä ansiosta hybridisuperkondensaattoreissa ei ole tulipalon tai lämpöryntäyksen riskiä. Myös lataustaso/lähtöjänniteominaisuudet täyttävät pienijännitteisten ja vähävirtaisten järjestelmien tarpeet (kuva 5).

Kuva 5: Hybridisuperkondensaattorin lähtöpurkausprofiili on akun/pariston ja tavallisen superkondensaattorin ominaisuuksien välissä. (Kuvan lähde: Eaton – Electronics Division)

Kaikkien komponenttien ja suunnitteluperiaatteiden tapaan myös kaikissa energian varastointiratkaisuissa on punnittava suorituskyvyn ja ominaisuuksien painotusta. Taulukossa 1 on esitetty eri vaihtoehtojen positiivisia (”+”) ja negatiivisia (”-”) ominaisuuksia tyypillisissä tapauksissa.

Taulukko 1: Akun/pariston, superkondensaattorin ja hybridisuperkondensaattorin tyypillisten ominaisuuksien vertailu osoittaa, että hybridiratkaisu tarjoaa parhaan kokonaisuuden. (Taulukon lähde: Kirjoittaja Eaton – Electronics Divisionin tietojen perusteella.)

Kokeneet insinöörit tietävät, ettei mikään ratkaisu ole täydellinen, ja usein jollakin käytettävissä olevalla ratkaisulla on tietty niin tärkeä myönteinen ominaisuus, että se ylittää kaikki muut vaihtoehdot. Lopullinen ratkaisu onkin tehtävä järjestelmän vaatimusten perusteella.

Hybridisuperkondensaattorit kattavat laajan faradi-/energiakapasiteettialueen

Joitakin erikoiskomponentteja on saatavana vain tietyn kokoisina, mutta näiden hybridisuperkondensaattorien valikoima kattaa melko laajan suorituskykyalueen. Alueen alkupäästä löytyy esimerkiksi HS1016-3R8306-R, Eatonin HS-sarjan sylinterimäisten hybridisuperkondensaattorikennojen 30 faradin (F) versio, jonka pituus on 18 mm ja halkaisija 10,5 mm (kuva 6).

Kuva 6: Eaton HS1016-3R8306-R on 30 F:n 30 F:n yksikkö sylinterimäisten hybridisuperkondensaattorien HS-sarjassa. (Kuvan lähde: Eaton – Electronics Division)

HS1016-3R8306-R-kondensaattorin käyttöjännite on 3,8 volttia. Sen kriittinen ominaisuus, alku-ESR, on vain 550 mΩ. Tämän ansiosta laitteen tehotiheys on melko suuri – jopa kahdeksan kertaa korkeampi kuin normaalin superkondensaattorin. Laite tarjoaa 0,15 A:n jatkuvan virran (maksimi jopa 2,7 A) ja pystyy varastoimaan 40 mWh energiaa. Se on kaikkien HS-sarjan tuotteiden tapaan UL:n tunnustama, mikä helpottaa tuotteen hyväksyntämenettelyä huomattavasti.

Samasta perheestä löytyy suurempiin kapasiteettitarpeisiin HS1625-3R8227-R-hybridisuperkondensaattori, sylinterimäinen 220 F:n laite, jonka pituus on 27 mm ja halkaisija 16,5 mm. Sen ESR on 100 mΩ ja virrantuotto jopa 1,1 A jatkuvasti ja 15,3 A huippuarvona. Laite pystyy varastoimaan energiaa kaiken kaikkiaan 293 mWh.

Eatonin hybridisuperkondensaattorit soveltuvat kapasiteettinsa, suorituskykynsä ja fyysisten ominaisuuksiensa ansiosta hyvin erillislaitteiksi, joista saadaan pulssivirtaa älymittarien langattomiin linkkeihin, tai käytettäväksi yhdessä akun/pariston kanssa. Niitä voidaan käyttää myös tilapäisenä teholähteenä teollisuuden prosesseissa ja ohjelmoitavissa logiikkakontrollereissa lyhyiden sähkökatkojen tai jännitteenlaskujen aikana, jolloin niiden avulla voidaan välttää jo pienenkin tehonsyöttöongelman aiheuttama usein pitkäkestoinen katko laitteen toiminnassa. Ne voivat myös tukea datakeskusten haihtuvaa välimuistia, palvelimia ja usean levyn RAID-tallennusratkaisuja sähkökatkojen aikana.

Yhteenveto

Hybridisuperkondensaattorien korkeat energiatiheydet, suuret käyttöjaksomäärät ja korkeampi käyttöjännite tarjoavat IoT-järjestelmien suunnittelijoille hyvän vaihtoehdon energian varastointiin ja tehonsyöttöön. Tällaiset hybridisuperkondensaattorit tarvitsevat vähemmän tilaa ja vähemmän kennoja superkondensaattoreihin verrattuna, minkä lisäksi ne täyttävät lämpötilaa ja käyttöaikaa koskevat vaatimukset paremmin kuin pelkät akut tai paristot. Hybridikomponentit poistavat hankalat kompromissit yhtälöstä ja auttavat suunnittelijoita täyttämään projektien haastavat tavoitteet helpommin.

Suositeltua lukemista

1. Korkeatehoiset 3,8 V:n hybridisuperkondensaattorit – HS-sarja
2. Suuritehoisilla hybridisuperkondensaattoreilla saavutetaan huomattavasti korkeampi energiatiheys kuin standardiratkaisuilla.
3. Valkoinen paperi HS-hybridisuperkondensaattoreista
4. Yleiskatsaus hybridisuperkondensaattorien teknologiaan (video)