Utilizzare prodotti ibridi per offrire i vantaggi delle batterie e dei supercondensatori per alimentare i progetti IoT

I progettisti di prodotti per applicazioni che vanno dai nodi Internet delle cose (IoT) su piccola scala, la tracciabilità delle risorse e la misurazione intelligente, a quelli più grandi come l'alimentazione ausiliaria delle attrezzature e la segnalazione dello stato, richiedono sempre più una fonte indipendente di energia ricaricabile. Di solito, le loro scelte sono state limitate a una batteria elettrochimica, basata sulla chimica degli ioni di litio (Li-ion) o un condensatore a doppio strato elettrico (EDLC), spesso detto supercondensatore. Il problema è che, se usata da sola o in combinazione, ogni tecnologia presenta alcune limitazioni, richiedendo agli sviluppatori di bilanciare le capacità e le limitazioni di ciascuna a fronte dei loro obiettivi di progettazione.

Questi obiettivi, in particolare per le applicazioni IoT e IoT industriale (IIoT) a bassa potenza, includono tipicamente l'affidabilità, la lunga vita operativa, l'efficienza, la densità energetica e la facilità d'uso, portando a un processo di progettazione e integrazione più semplice, tempi di sviluppo più brevi e costi di progetto inferiori. Sebbene sia perfettamente fattibile usare sia gli ioni di litio che gli EDLC insieme per raggiungere questi obiettivi, gli approcci di progettazione e ottimizzazione possono risultare complessi. Un approccio integrato può essere più adatto.

Questo articolo discute i requisiti dei progetti di potenza IoT e le tecnologie alla base delle batterie elettrochimiche e gli EDLC. Presenta poi un approccio alternativo sotto forma di componenti ibridi per l'immagazzinaggio dell'energia che combinano gli attributi delle batterie e degli EDLC in un unico contenitore. L'articolo porterà ad esempio alcuni dispositivi di Eaton - Electronics Division e discuterà le loro caratteristiche e applicazioni.

I sistemi IoT richiedono bassa potenza e lunga vita operativa

Gli ultimi anni hanno visto un'enorme crescita delle applicazioni a bassa potenza e a basso ciclo di lavoro che possono funzionare da fonti di alimentazione relativamente contenute. Anche se i circuiti in questi dispositivi hanno correnti di funzionamento in modalità attiva da pochi milliampere ad alcuni ampere, spesso sono caratterizzati da un funzionamento esteso in modalità di sospensione profonda che tipicamente richiede solo alcuni microampere. L'uso in questi dispositivi di tecnologie wireless a bassa potenza, bassa velocità e basso ciclo di lavoro come LoRaWAN o Bluetooth Low Energy (BLE) aiuta anche a minimizzare il consumo energetico.

Per queste condizioni operative, i progettisti hanno tipicamente considerato due tecnologie di immagazzinaggio dell'energia: varianti della batteria Li-ion o un supercondensatore. Ognuna fornisce compromessi nella capacità e nella densità di energia, nei cicli di vita, nella tensione terminale, nell'autoscarica, nell'intervallo della temperatura di funzionamento, nelle prestazioni a velocità di scarica basse e alte e in altri fattori.

Differenze chiave nelle tecnologie di immagazzinaggio

In sostanza, che si tratti di una cella primaria (non ricaricabile) o secondaria (ricaricabile), una batteria si basa su principi elettrochimici. Una batteria al litio contiene un anodo di grafite e un catodo metallo-ossido, con un elettrolita interposto che di solito è liquido ma può essere solido in alcune implementazioni. La vita delle celle ricaricabili è limitata in genere a diverse migliaia di cicli di carica/scarica a causa di varie forme di deterioramento interno.

Inoltre, le batterie richiedono una gestione sofisticata delle celle e del gruppo per massimizzare la vita operativa e prevenire problemi come l'eccesso di carica, il runaway termico o altre condizioni di errore che possono portare a prestazioni degradate, distruzione delle celle o persino incendi. Per i progettisti, il profilo di scarica relativamente piatto di queste batterie semplifica l'implementazione del circuito (Figura 1).

Figura 1: Il profilo del ciclo di scarica di una tipica cella agli ioni di litio mostra una tensione di uscita quasi costante fino a quando la cella non risulta quasi completamente scarica. (Immagine per gentile concessione di Eaton - Electronics Division)

Per contro, gli EDLC immagazzinano l'energia mediante un processo fisico e non una reazione chimica. Questi dispositivi sono simmetrici con elettrodi di carbonio attivato su entrambi i lati dell'anodo e del catodo. La carica e la scarica sono processi elettrostatici senza reazione chimica e il numero di cicli è praticamente illimitato. Contrariamente alle batterie, la loro tensione terminale scende linearmente in funzione dell'energia fornita (Figura 2).

Figura 2: A differenza di una cella agli ioni di litio, la tensione di uscita di un supercondensatore diminuisce costantemente mentre cede la carica immagazzinata. (Immagine per gentile concessione di Eaton - Electronics Division)

La tecnologia EDLC è uno sviluppo relativamente nuovo nel mondo dei componenti passivi. Anche negli anni '50 e '60 si pensava comunemente che un condensatore anche solo di un farad avrebbe occupato un'intera stanza. Invece, la ricerca in campo di materiali e tecnologie di superficie ha portato a nuove strutture e tecniche di fabbricazione, e alla fine a quello che è stato soprannominato il supercondensatore, capace di fornire decine e anche centinaia di farad in un contenitore di dimensioni paragonabili ad altri componenti passivi di base.

Le opzioni topologiche e i loro compromessi

Come risultato del design di base e delle differenze di prestazioni tra le batterie e gli EDLC, i progettisti devono decidere se utilizzare solo un dispositivo di immagazzinaggio dell'energia o se combinarli. Se scelgono di usare una combinazione, devono poi decidere tra varie topologie, ognuna con i compromessi e implicazioni per quanto riguarda le prestazioni (Figura 3).

Figura 3: I progettisti possono combinare un supercondensatore e una batteria in tre topologie comuni: (dall'alto) in parallelo, come unità indipendenti o tramite un controller/regolatore. (Immagine per gentile concessione di Eaton - Electronics Division)

• L'approccio parallelo è il più semplice, ma l'uso del supercondensatore non è ottimale e la sua tensione di uscita è direttamente legata alla tensione della batteria.
• Usare una batteria e un supercondensatore come unità indipendenti è meglio quando esiste un carico di base non critico e un carico critico separato, poiché fornisce energia indipendente per ciascuno, ma questo approccio non offre il beneficio della sinergia tra le due unità separate.
• La disposizione intelligente combina le capacità di ogni fonte di energia e massimizza sia il tempo di funzionamento che la durata del ciclo, ma richiede ulteriori componenti di gestione come un controller e la regolazione c.c./c.c. tra le due fonti e il carico; questa topologia è più comunemente usata con le unità di potenza legate al trasporto.

Quando si usano topologie come queste, la scelta di una batteria e di un supercondensatore non è una decisione di mutua esclusione. I progettisti possono scegliere di usarli entrambi, ma usare una batteria e un supercondensatore in combinazione pone la sfida di trovare l'equilibrio ottimale tra le diverse caratteristiche di ciascuno.

La buona notizia è che grazie a un componente innovativo si elimina il dilemma "e/o" quando si sceglie se utilizzare batterie, supercondensatori o entrambi. Una famiglia di componenti ibridi per l'immagazzinaggio dell'energia di Eaton - Electronics Division combina gli attributi di entrambi in un unico contenitore, eliminando la necessità di scendere a compromessi.

Il caso dei supercondensatori ibridi

I supercondensatori ibridi combinano le strutture di base di entrambe le batterie e dei supercondensatori in una sola unità fisica. Questi componenti ibridi non sono solo un semplice packaging di una coppia distinta di batterie e supercondensatori in un alloggiamento comune: sono fonti di energia che fondono la chimica di una batteria con la fisica di un supercondensatore in una singola struttura. Di conseguenza, questi dispositivi ibridi superano le limitazioni di batterie e supercondensatori, mentre forniscono chiari vantaggi allo sviluppatore nel soddisfare i requisiti di progettazione.

I supercondensatori ibridi sono dispositivi asimmetrici che comprendono un anodo di grafite drogata con litio e un catodo di carbonio attivato. Anche se il movimento di carica avviene principalmente per via elettrochimica, si verifica a una profondità significativamente inferiore rispetto alla batteria agli ioni di litio.

Tra gli altri attributi, questa combinazione di tecnologie si traduce in un numero di cicli di vita molto alto (un minimo di 500.000 cicli è tipico) e in una risposta molto veloce ad alti regimi di scarica (Figura 4).

Figura 4: Il supercondensatore ibrido supera le limitazioni del ciclo di carica/scarica e del regime di una batteria, e non è tutto. (Immagine per gentile concessione di Eaton - Electronics Division)

Come ulteriore vantaggio, non vengono utilizzati ossidi metallici e quindi questi supercondensatori ibridi non comportano alcun rischio di incendio o di runaway termico. Le caratteristiche di uscita rispetto al livello di carica sono anche compatibili con le esigenze dei sistemi a bassa tensione e bassa potenza (Figura 5).

Figura 5: Il profilo di scarica in uscita del supercondensatore ibrido si trova tra quello di una batteria e di un supercondensatore standard. (Immagine per gentile concessione di Eaton - Electronics Division)

Come per tutti i componenti e gli approcci progettuali, ogni soluzione di immagazzinaggio dell'energia offre compromessi nelle prestazioni e nelle capacità. La tabella 1 mostra gli attributi positivi ("+") e negativi ("-") di questi a confronto in casi d'uso tipici.

Tabella 1: Un confronto delle caratteristiche tipiche di una batteria, un supercondensatore e un supercondensatore ibrido mostra che l'ibrido è la soluzione migliore. (Tabella per gentile concessione dell'autore, basata su dati di Eaton - Electronics Division)

Gli ingegneri esperti sanno che nessun approccio è di per sé perfetto e molte volte un singolo attributo positivo di una delle soluzioni disponibili è così vitale da prevalere su qualsiasi altro approccio. Pertanto, i requisiti di sistema detteranno la soluzione finale.

I supercondensatori ibridi ampliano l'intervallo di farad/capacità energetica

A differenza di alcuni componenti specializzati che offrono solo un numero limitato di specifiche, questi supercondensatori ibridi sono disponibili per una gamma di prestazioni piuttosto ampia. Ad esempio, all'estremità inferiore della gamma abbiamo HS1016-3R8306-R, un'unità da 30 F della serie HS di Eaton comprendente celle cilindriche per supercondensatori ibridi, che misura 18 mm di lunghezza con un diametro di 10,5 mm (Figura 6).

Figura 6: HS1016-3R8306-R di Eaton è un'unità da 30 F della serie HS di celle cilindriche per supercondensatori ibridi. (Immagine per gentile concessione di Eaton - Electronics Division)

HS1016-3R8306-R ha una tensione di funzionamento di 3,8 V e la sua specifica critica per l'ESR iniziale è di soli 550 mΩ, con conseguente densità di potenza abbastanza alta, fino a otto volte quella di un supercondensatore standard. Può fornire 0,15 A di corrente continua (fino a 2,7 A al massimo) e ha una capacità di immagazzinaggio dell'energia di 40 mWh. Come tutti i membri della serie HS, è riconosciuto UL, semplificando notevolmente il processo generale di approvazione del prodotto.

Per un supercondensatore ibrido di maggiore capacità nella stessa famiglia, HS1625-3R8227-R è un dispositivo cilindrico da 220 F che misura 27 mm di lunghezza per 16,5 mm di diametro, con una ESR di 100 mΩ che fornisce fino a 1,1 A di corrente continua e 15,3 A di picco. La sua capacità totale di immagazzinaggio di energia è di 293 mWh.

Con la loro combinazione di capacità, prestazioni e specifiche fisiche, i supercondensatori ibridi di Eaton sono adatti a fornire alimentazione a impulsi autonoma per i collegamenti wireless in contatori intelligenti o in parallelo con una batteria. Sono anche ideali per l'alimentazione "di sostegno" durante brevi interruzioni di energia elettrica in processi industriali e controller logici programmabili, evitando così il conseguente e spesso lungo tempo di inattività che anche un breve problema di alimentazione può causare. Allo stesso modo, possono sostenere la memoria cache volatile, i server e lo storge RAID multidisco nei data center durante queste interruzioni di corrente.

Conclusione

Per i progettisti di sistemi IoT, i supercondensatori ibridi sono una buona opzione per l'immagazzinaggio di energia e l'erogazione di potenza grazie alle loro alte densità di energia, ai lunghi cicli di vita e alla maggiore tensione di lavoro. Costruiti con questi supercondensatori ibridi, i progetti possono richiedere meno celle e un volume minore rispetto ai supercondensatori standard, soddisfacendo anche i requisiti di temperatura e durata meglio delle sole batterie. Eliminando i difficili compromessi, questi componenti ibridi permettono ai progettisti di raggiungere più facilmente gli obiettivi dei progetti più impegnativi.

Letture consigliate

1. Supercondensatori 3,8 V ad alta potenza ibridi - Serie HS
2. I supercondensatori ibridi ad alta potenza raggiungono densità di energia significativamente più elevate rispetto alle soluzioni standard
3. White paper sui supercondensatori ibridi HS
4. Panoramica sulla tecnologia dei supercondensatori ibridi (video)