Verwenden Sie Hybrid-Superkondensatoren, um die Vorteile von Batterien und Superkondensatoren für IoT-Designs zu nutzen

Entwickler von Produkten für Anwendungen, die von kleinen IoT-Knoten (Internet der Dinge) über Bestandsüberwachung und intelligenter Zähler bis hin zu größeren Anwendungen wie Backup-Stromversorgung von Geräten und Statusmeldungen reichen, benötigen zunehmend eine unabhängige Quelle für wiederaufladbare Energie. Typischerweise war die Auswahl auf eine elektrochemische Batterie, meist basierend auf Lithium(Li)-Ionen-Chemie, oder einen elektrischen Doppelschichtkondensator (EDLC), oft auch als Superkondensator bezeichnet, beschränkt. Das Problem ist, dass jede Technologie, egal ob sie allein oder in Kombination verwendet wird, bestimmte Einschränkungen mit sich bringt, so dass die Entwickler die Fähigkeiten und Einschränkungen jeder Technologie gegen ihre Designziele abwägen müssen.

Zu diesen Zielen, insbesondere für IoT- und IIoT-Anwendungen (IIoT: industrielles Internet der Dinge) mit geringem Stromverbrauch, gehören in der Regel Zuverlässigkeit, lange Lebensdauer, Effizienz, Energiedichte und einfache Bedienung, was zu einem einfacheren Design- und Integrationsprozess, einer kürzeren Entwicklungszeit und niedrigeren Projektkosten führt. Obwohl es durchaus möglich ist, sowohl Li-Ionen-Batterien als auch EDLCs zusammen zu verwenden, um diese Ziele zu erreichen, kann die Entwicklung und Optimierung für beide Ansätze ein komplexes Unterfangen sein. Ein integrierter Ansatz ist möglicherweise besser geeignet.

Dieser Artikel behandelt die Anforderungen von IoT-Stromversorgungsdesigns und die Technologien hinter elektrochemischen Batterien und EDLCs. Anschließend wird ein alternativer Ansatz in Form von hybriden Energiespeicherkomponenten vorgestellt, die die Eigenschaften von Batterien und EDLCs in einem einzigen Paket vereinen. Der Artikel stellt Beispielkomponenten von Eaton — Electronics Division vor und diskutiert deren Eigenschaften und Anwendung.

IoT-Systeme erfordern geringen Stromverbrauch und lange Lebensdauer

In den letzten Jahren gab es ein enormes Wachstum bei Anwendungen mit niedrigem Stromverbrauch und geringer Einschaltdauer, die mit relativ kleinen Stromquellen betrieben werden können. Obwohl die Schaltungen in diesen Geräten Betriebsströme im aktiven Modus von Milliampere bis Ampere aufweisen, verfügen diese Geräte oft über einen erweiterten Betrieb im Deep-Sleep-Modus, der typischerweise nur Mikroampere benötigt. Die Verwendung von Funktechnologien mit niedrigem Stromverbrauch, niedriger Übertragungsrate und geringer Einschaltdauer wie LoRaWAN oder Bluetooth Low Energy (BLE) in diesen Geräten trägt ebenfalls zur Minimierung des Stromverbrauchs bei.

Für diese Betriebsbedingungen haben die Entwickler typischerweise zwei Energiespeichertechnologien in Betracht gezogen: eine Variante der Li-Ionen-Batterie oder einen Superkondensator. Jede bietet Kompromisse in Bezug auf Energiekapazität und -dichte, Lebensdauer, Klemmenspannung, Selbstentladung, Betriebstemperaturbereich, Leistung bei niedrigen und hohen Entladeraten und anderen Faktoren.

Wesentliche Unterschiede bei den Speichertechnologien

Kurz gesagt, ob es sich um eine primäre (nicht wiederaufladbare) oder eine sekundäre (wiederaufladbare) Zelle handelt, eine Batterie basiert auf elektrochemischen Prinzipien. Eine Batterie auf Lithiumbasis enthält eine Graphitanode und eine Metalloxidkathode mit einem dazwischen liegenden Elektrolyt, der normalerweise flüssig ist, aber in einigen Implementierungen auch fest sein kann. Die Lebensdauer von wiederaufladbaren Zellen ist aufgrund verschiedener Formen der internen Degradation typischerweise auf einige tausend Lade-/Entladezyklen begrenzt.

Darüber hinaus erfordern Batterien ein ausgeklügeltes Zellen- und Batteriepack-Management, um die Lebensdauer zu maximieren und gleichzeitig Probleme wie Überladung, thermisches Durchgehen oder andere Fehlerzustände zu vermeiden, die zu einer verminderten Leistung, Zerstörung der Zellen oder sogar zu einem Brand führen können. Für Entwickler vereinfacht das relativ flache Entladeprofil dieser Batterien die Schaltungsimplementierung (Abbildung 1).

Abbildung 1: Das Entladeprofil einer typischen Li-Ionen-Zelle zeigt eine nahezu konstante Ausgangsspannung, bis die Zelle nahezu vollständig entladen ist. (Bildquelle: Eaton – Electronics Division)

Im Gegensatz dazu speichern EDLCs Energie durch einen physikalischen Prozess und nicht durch eine chemische Reaktion. Diese Komponenten sind symmetrisch aufgebaut, mit Aktivkohleelektroden sowohl auf der Anoden- als auch auf der Kathodenseite. Ihre Auf- und Entladung sind elektrostatische Vorgänge ohne chemische Reaktion und ihre Lebensdauer ist praktisch unbegrenzt. Im Gegensatz zu Batterien fällt ihre Klemmenspannung linear in Abhängigkeit von der abgegebenen Energie ab (Abbildung 2).

Abbildung 2: Im Gegensatz zu einer Li-Ionen-Zelle nimmt die Ausgangsspannung eines Superkondensators stetig ab, wenn er gespeicherte Ladung abgibt. (Bildquelle: Eaton – Electronics Division)

Die EDLC-Technologie ist eine relativ neue Entwicklung in der Welt der passiven Bauelemente. Noch bis in die 1950er und 1960er Jahre hinein war die gängige Meinung, dass ein Kondensator von auch nur einem Farad die Größe eines Zimmers hat. Stattdessen führte die Erforschung von Materialien und Oberflächentechnologien zu neuen Strukturen und Fertigungstechniken und schließlich zu dem, was als Superkondensator bezeichnet wurde, der Dutzende und sogar Hunderte von Farad in einem Bauteil bereitstellt, das von der Größe her mit anderen passiven Bauteilen vergleichbar ist.

Topologieoptionen mit Kompromissen

Aufgrund der grundlegenden Konstruktions- und Leistungsunterschiede zwischen Batterien und EDLCs müssen Entwickler entscheiden, ob sie nur eine Energiespeicherkomponente verwenden oder beide kombinieren. Wenn sie sich für eine Kombination entscheiden, müssen sie dann zwischen verschiedenen Topologien mit ihren jeweiligen Kompromissen und Implikationen in Bezug auf die Leistung entscheiden (Abbildung 3).

Abbildung 3: Entwickler können einen Superkondensator und eine Batterie in drei gängigen Topologien kombinieren: (von oben) parallel, als unabhängige Einheiten oder kombiniert über einen Controller/Regler. (Bildquelle: Eaton – Electronics Division)

• Der parallele Ansatz ist am einfachsten, aber der Einsatz des Superkondensators ist nicht optimal, und seine Ausgangsspannung ist direkt an die Batteriespannung gebunden.
• Die Verwendung einer Batterie und eines Superkondensators als unabhängige Einheiten funktioniert am besten, wenn es eine unkritische Grundlast und eine separate kritische Last gibt, da sie jeweils unabhängige Energie liefern, aber dieser Ansatz bietet nicht den Vorteil irgendeiner Art von Synergie zwischen den separaten Einheiten.
• Die intelligente Anordnung kombiniert die Fähigkeiten jeder Energiequelle und maximiert sowohl die Laufzeit als auch die Zykluslebensdauer, aber sie erfordert zusätzliche Managementkomponenten wie einen Controller und eine DC/DC-Regelung zwischen den beiden Quellen und der Last; diese Topologie wird am häufigsten bei transportbezogenen Stromversorgungseinheiten verwendet.

Bei solchen Topologien ist die Wahl zwischen einer Batterie und einem Superkondensator keine „Entweder-Oder“-Entscheidung. Entwickler können sich für die Verwendung von beidem entscheiden, aber die Verwendung einer Batterie und eines Superkondensators in Kombination stellt den Entwickler vor die Herausforderung, die optimale Balance zwischen den unterschiedlichen Eigenschaften der beiden zu finden.

Die gute Nachricht ist, dass man dank einer innovativen Komponente nicht mehr vor dem „und/oder“-Dilemma steht, wenn man sich entscheiden muss, ob man Batterien, Superkondensatoren oder beides verwenden möchte. Eine Familie von Hybrid-Energiespeicherkomponenten von „Eaton - Electronics Division“, vereint die Eigenschaften beider in einem einzigen Paket und macht damit Kompromisse überflüssig.

Das Argument für Hybrid-Superkondensatoren

Hybrid-Superkondensatoren vereinen die zugrundeliegenden Strukturen sowohl von Batterien als auch von Superkondensatoren in einer physikalischen Einheit. Diese Hybridkomponenten sind nicht nur eine einfache Verpackung eines bestimmten Batterie- und Superkondensatorpaares in einem gemeinsamen Gehäuse. Stattdessen sind sie Energiequellen, die die Chemie einer Batterie mit der Physik eines Superkondensators in einer einzigen Struktur vereinen. Im Ergebnis überwinden diese Hybridkomponenten die separaten Unzulänglichkeiten von Batterien und Superkondensatoren und bieten gleichzeitig klare Vorteile für den Entwickler bei der Erfüllung der Designanforderungen.

Hybrid-Superkondensatoren sind asymmetrische Komponenten mit einer Li-dotierten Graphitanode und einer Aktivkohlekathode. Die Ladungsbewegung erfolgt zwar hauptsächlich elektrochemisch, aber in einer deutlich geringeren Tiefe als bei der Li-Ionen-Batterie.

Diese Kombination von Technologien führt unter anderem zu einer sehr hohen Zyklenlebensdauer (mindestens 500.000 Zyklen sind typisch) und einem sehr schnellen Ansprechen auf hohe Entladeraten (Abbildung 4).

Abbildung 4: Der Hybrid-Superkondensator überwindet unter anderem die Lade-/Entladezyklus- und Ratenbeschränkungen einer Batterie. (Bildquelle: Eaton – Electronics Division)

Ein zusätzlicher Vorteil ist, dass keine Metalloxide verwendet werden und diese Hybrid-Superkondensatoren daher kein Risiko der Auslösung eines Brandes oder thermischen Durchgehens darstellen. Die Ausgangscharakteristik in Abhängigkeit vom Ladezustand ist auch mit den Anforderungen von Systemen mit niedriger Spannung und geringem Stromverbrauch kompatibel (Abbildung 5).

Abbildung 5: Das Ausgangsentladeprofil des Hybrid-Superkondensators liegt zwischen dem einer Batterie und eines Standard-Superkondensators. (Bildquelle: Eaton – Electronics Division)

Wie bei allen Komponenten und Konstruktionsansätzen bietet jede Energiespeicherlösung Kompromisse in Bezug auf Leistung und Fähigkeiten. Tabelle 1 zeigt die positiven („+“) und negativen („-“) Eigenschaften dieser im Verhältnis zueinander, für typische Fälle.

Tabelle 1: Ein Vergleich der typischen Eigenschaften einer Batterie, eines Superkondensators und eines Hybrid-Superkondensators zeigt, dass der Hybrid das Beste von beiden vereint. (Quelle der Tabelle: Der Autor, unter Verwendung von Daten von Eaton - Electronics Division)

Erfahrene Ingenieure wissen, dass kein einziger Ansatz perfekt ist, und oft ist ein einziges positives Attribut einer der verfügbaren Lösungen so entscheidend, dass es alle anderen Ansätze außer Kraft setzt. Daher werden die Systemanforderungen die endgültige Lösung diktieren.

Hybrid-Superkondensatoren überspannen Farad-/Energiekapazitätsbereich

Im Gegensatz zu einigen spezialisierten Bauteilen, die nur eine begrenzte Anzahl von Spezifikationen bieten, sind diese Hybrid-Superkondensatoren in einem recht breiten Leistungsbereich erhältlich. Am unteren Ende des Bereichs befindet sich beispielsweise der HS1016-3R8306-R mit 30 F aus Eatons HS-Serie zylindrischer Hybrid-Superkondensatorzellen mit einer Länge von 18 mm und einem Durchmesser von 10,5 mm (Abbildung 6).

Abbildung 6: Der HS1016-3R8306-R von Eaton ist ein zylindrischer Hybrid-Superkondensator der HS-Serie mit 30 F. (Bildquelle: Eaton – Electronics Division)

Der HS1016-3R8306-R hat eine Betriebsspannung von 3,8 Volt und seine kritische Spezifikation für den anfänglichen ESR ist ein niedriger Wert von 550 mΩ, was zu einer ziemlich hohen Leistungsdichte führt - bis zu achtmal so hoch wie bei einem Standard-Superkondensator. Er kann 0,15 A Dauerstrom liefern (bis zu 2,7 A maximal) und hat eine Speicherkapazität von 40 mWh. Wie alle Mitglieder der HS-Serie ist er UL-anerkannt, was den gesamten Produktzulassungsprozess erheblich vereinfacht.

Ein Hybrid-Superkondensator mit größerer Kapazität aus derselben Familie ist der HS1625-3R8227-R, ein zylindrischer Baustein mit 220 F und einer Länge von 27 mm und einem Durchmesser von 16,5 mm sowie einem ESR von 100 mΩ, der bis zu 1,1 A Dauerstrom und 15,3 A Spitzenstrom liefert. Seine Gesamtenergiespeicherkapazität beträgt 293 mWh.

Mit ihrer Kombination aus Kapazität, Leistung und physikalischen Spezifikationen sind die Hybrid-Superkondensatoren von Eaton gut geeignet, um eigenständig Impulsstrom für drahtlose Verbindungen in intelligenten Zählern oder parallel zu einer Batterie bereitzustellen. Sie eignen sich auch gut für den Einsatz bei kurzzeitigen Stromausfällen oder Spannungseinbrüchen in industriellen Prozess- und speicherprogrammierbaren Steuerungen und vermeiden so die daraus resultierenden und oft langwierigen Ausfallzeiten, die selbst ein kurzer Energieausfall verursachen kann. Ebenso können sie flüchtige Cache-Speicher, Server und Multidisc-RAID-Speicher in Rechenzentren während solcher Stromausfälle unterstützen.

Fazit

Für Entwickler von IoT-Systemen sind Hybrid-Superkondensatoren aufgrund ihrer hohen Energiedichte, langen Lebensdauer und höheren Arbeitsspannung eine gute Option für die Energiespeicherung und Leistungsbereitstellung. Mit diesen Hybrid-Superkondensatoren können Designs im Vergleich zu Standard-Superkondensatoren weniger Zellen und ein geringeres Volumen benötigen, während sie gleichzeitig die Anforderungen an Temperatur und Lebensdauer besser erfüllen als Batterien allein. Durch die Beseitigung schwieriger Kompromisse ermöglichen diese Hybridkomponenten den Entwicklungsingenieuren, anspruchsvolle Projektziele leichter zu erreichen.

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