I condensatori agli ioni di litio possono aiutare a fornire potenza di alta qualità in ambienti difficili

Chi lavora su soluzioni di alimentazione distribuita utilizzando batterie ricaricabili o supercondensatori a doppio strato elettrico (EDLC), ne conosce i limiti. Le batterie comportano dei compromessi legati alle prestazioni ambientali, alle dimensioni del sistema e alla sicurezza, il che aumenta i costi e riduce la loro efficacia. Gli EDLC possono rispondere ad alcuni di questi problemi, ma non hanno la capacità di energia richiesta da molte applicazioni.

Per affrontare queste limitazioni, è possibile ricorrere ai condensatori agli ioni di litio (LIC), chiamati anche supercondensatori ibridi. Per chi non li conoscesse, i LIC sono dispositivi asimmetrici che combinano due diverse tecnologie: il catodo è come un supercondensatore, mentre l'anodo è simile a una batteria agli ioni di litio (Figura 1). La loro struttura asimmetrica li rende particolarmente adatti per applicazioni di qualità della potenza che possono beneficiare di alte densità di energia, alte densità di potenza, robustezza ambientale e durata.

Figura 1: I LIC sono dispositivi asimmetrici che combinano due diverse tecnologie: il catodo è come un supercondensatore, mentre l'anodo è simile a una batteria agli ioni di litio. (Immagine per gentile concessione di Eaton)

I LIC possono fornire potenza di riserva e protezione dalle sottotensioni durante gli assorbimenti di potenza di picco. In sistemi industriali come gli impianti chimici e quelli di produzione di semiconduttori, anche una breve disrupzione della qualità della potenza può provocare costosi tempi di fermo. Interruzioni dell'energia elettrica anche temporanee possono causare gravi disturbi al funzionamento delle memorie cache, dei sistemi RAID e dei server di storage nei data center.

Prenderemo prima di tutto in esame tre esempi di LIC idonei per applicazioni di protezione della qualità della potenza sull'edge, di Eaton, Taiyo Yuden e Tecate Group, per concludere poi con un breve sguardo ad alcune considerazioni di progettazione di cui occorre tener conto quando si usano i LIC.

LIC qualificati per il funzionamento fino a -25 °C

Molti LIC hanno un intervallo della temperatura di funzionamento da -15 a +70 °C. Se però l'applicazione deve lavorare in un ambiente più freddo, Eaton offre HSL1016-3R8306-R, un LIC da 30 F qualificato per il funzionamento a temperature fino a -25 °C (Figura 2). Questo LIC ha una capacità nominale di più di 250.000 cicli di carica a una temperatura ambiente di 20 °C, con una vita operativa senza manutenzione fino a 20 anni. Offre fino a otto volte la densità di energia dei supercondensatori standard.

Figura 2: HSL1016-3R8306-R è un LIC 30 F che funziona fino a -25 °C e ha una capacità nominale di oltre 250.000 cicli di ricarica a una temperatura ambiente di 20 °C. (Immagine per gentile concessione di Eaton)

LIC per alte temperature

Alle esigenze degli ambienti industriali caldi e di quelli esterni risponde il LIC da 100 F LIC1840RH3R8107 di Taiyo Yuden, che è qualificato per impieghi a temperature fino a 85 °C con una resistenza equivalente in serie (ESR) di 75 mΩ (Figura 3). Questo LIC ha un intervallo di tensione di funzionamento da 2,2 a 3,8 V a 85 °C e un intervallo di tensione da 2,5 a 3,5 V a 105 °C, che lo rende idoneo per l'uso a temperature elevate. Questi LIC presentano tassi inferiori di deterioramento della capacità elettrica e variazioni di resistenza interna migliori quando vengono utilizzati a temperature elevate.

Figura 3: LIC1840RH3R8107 è un LIC per alte temperature in grado di gestire 3,8 V fino a 85 °C. (Immagine per gentile concessione di Taiyo Yuden)

450 F per applicazioni ad alta energia

Se state progettando un'applicazione che può beneficiare di un'alta densità di potenza, TPLC-3R8/450MR18X40 da 450 F di Tecate Group potrebbe essere proprio quello che vi serve, essendo il dispositivo più grande della famiglia di 18 LIC dell'azienda (Figura 4). Il dispositivo ha una capacità nominale di 2,25 A di corrente continua con un picco di 14,1 A. Misura 18 mm di diametro x 40 mm di altezza e pesa 18 grammi. TPLC-3R8/450MR18X40 ha una durata prevista di 500.000 cicli e un limite di longevità di 1.000 ore quando viene utilizzato alla sua tensione nominale e alla sua temperatura massima di funzionamento.

Figura 4: TPLC-3R8/450MR18X40 450 F (fila posteriore, centro) è il LIC con la maggiore capacità della serie TPLC di Tecate Group. (Immagine per gentile concessione di Tecate Group)

Progettare con i LIC

Come altri supercondensatori, i LIC hanno tensioni che variano linearmente in base al loro stato di carica. Nelle applicazioni che hanno bisogno di una tensione di funzionamento stabile da una singola cella, serve un convertitore boost di tensione. I progetti che utilizzano più LIC collegati in serie spesso possono trarre benefici da un convertitore riduttore per stabilizzare la tensione.

A differenza di altri supercondensatori che possono essere scaricati a zero V, per evitare danni i LIC sono di solito limitati a 2,2 V di tensione minima di scarica e, per un funzionamento affidabile, è richiesto un sistema di gestione delle celle (CMS). Il CMS smette di scaricare i LIC a circa 2,2 V e mantiene le tensioni delle celle equalizzate nei progetti con diverse celle in serie. Mentre gli EDLC standard di norma si scaricano in circa 30 secondi, la scarica dei LIC richiede alcuni minuti; questa è una differenza importante nelle soluzioni di qualità della potenza sull'edge.

La vita utile di un LIC dipende direttamente dalla tensione applicata e dalla temperatura di funzionamento. Temperature e tensioni di funzionamento più elevate riducono la vita utile del LIC. Il parametro principale per massimizzare la vita utile è quello di abbassare la tensione di funzionamento, obiettivo che può essere raggiunto mettendo diverse celle in serie.

Conclusione

I LIC offrono una terza opzione molto valida quando si progettano soluzioni di qualità della potenza distribuita per ambienti difficili. Le loro strutture ibride combinano in un unico dispositivo funzionalità delle batterie agli ioni di litio e degli EDLC. Offrono lunghi cicli di vita e alte densità di potenza e la loro scarica distribuita su alcuni minuti invece che su pochi secondi può essere una differenziazione importante nelle soluzioni di qualità della potenza sull'edge. I LIC consentono di realizzare soluzioni più piccole, più robuste e più sicure. Ovviamente, per ottenere il massimo beneficio servono buone pratiche di progettazione del sistema.