השתמשו בהיברידיים כדי להביא את היתרונות של סוללות וסופר-קבלים גם יחד לתכני IoT‏

מתכנני מוצרים של יישומים רבים, מצומתי אינטרנט של דברים (IoT) בגודל קטן, דרך מעקב נכסים ומונים חכמים, ועד לגדולים יותר כמו הספקת-כוח לגיבוי ציוד ודיווח סטטוס, דורשים יותר ויותר מקור בלתי-תלוי של הספקת-כוח נטענת. בדרך כלל הבחירות שלהם הוגבלו לסוללה אלקטרוכימית, המבוססת בדרך כלל על כימיה של יוני ליתיום (Li), או על קבלים חשמליים דו-שכבתיים (EDLC), המכונים לעתים סופר-קבלים. הבעיה היא שאם משתמשים בהן לבד או בשילוב, כל טכנולוגיה מציגה מגבלות מסוימות, המחייבות את המפתחים לאזן את היכולות והמגבלות של כל אחד לעומת יעדי התכנים שלהם.

יעדים אלה, במיוחד עבור יישומי IoT בהספק נמוך ו- IoT תעשייתי (IIoT), כוללים בדרך כלל אמינות, חיי פעולה ארוכים, נצילות, צפיפות האנרגיה וקלות השימוש, המובילים לתהליך תכנון ושילוב פשוט יותר, זמן פיתוח קצר יותר ועלות פרויקט נמוכה יותר. אמנם ניתן בהחלט להשתמש גם בליתיום-יון וגם בקבלי EDLC‏ כדי להשיג מטרות אלה, אך תכנון ומיטוב עבור שתי הגישות יכולים להיות מאמץ מורכב. גישה משולבת עשויה להיות מתאימה יותר.

מאמר זה דן בדרישות של תכני הספקת-כוח ל- IoT והטכנולוגיות העומדות מאחורי סוללות אלקטרוכימיות וקבלי EDLC‏. לאחר המאמר מציג גישה חלופית בדמות רכיבי אחסון אנרגיה היברידיים המשלבים את התכונות של סוללות ושל קבלי EDLC במארז אחד. המאמר יציג התקנים לדוגמה מבית Eaton Electronics‏ וידון במאפיינים וביישומים שלהם.

מערכות IoT דורשות צריכת הספק נמוכה וחיי פעולה ארוכים

בשנים האחרונות נרשמה צמיחה אדירה ביישומי הספק נמוך ויחס-מחזור נמוך, היכולים לפעול ממקורות הספקת-כוח קטנים יחסית. למרות שבמעגלים בהתקנים אלה יש זרמי פעולה באופן פעיל הנעים בין מיליאמפרים לאמפרים, התקנים אלו כוללים לרוב מאפייני פעולה ממושכת באופני שינה עמוקה אשר בדרך כלל דורשים מיקרו-אמפרים בודדים בלבד. השימוש בהתקנים אלו בטכנולוגיות אלחוט בהספק נמוך, קצב שידור נמוך ויחס-מחזור נמוך כמו LoRaWAN או Bluetooth Low-Energy‏ (BLE) מסייע להקטין למינימום את צריכת ההספק.

בתנאי פעולה אלה, המתכננים שקלו בדרך כלל שתי טכנולוגיות אחסון אנרגיה: גרסה כלשהי של סוללת ליתיום-יון או סופר-קבלים. כל אחת מהן מספקת פשרות בקיבולת האנרגיה ובצפיפות, מחזורי חיים, מתח הדקים , פריקה עצמית, תחום טמפרטורות פעולה, ביצועים בקצב פריקה נמוך וגבוה וגורמים אחרים.

ההבדלים העיקריים בטכנולוגיות האחסון

בקצרה, בין אם מדובר בתא ראשוני (לא-נטען) ובין אם הוא משני (נטען), סוללה מבוססת על עקרונות אלקטרוכימיים. סוללה מבוססת ליתיום מכילה אנודת גרפיט וקתודה של תחמוצת מתכת, עם אלקטרוליט ביניהם שהוא בדרך כלל נוזלי אך יכול להיות מוצק בכמה מימושים. אורך חיי התאים הנטענים מוגבל בדרך כלל לכמה אלפי מחזורי טעינה/פריקה עקב צורות שונות של דגרדציה פנימית.

בנוסף, סוללות דורשות ניהול מתוחכם של תאים ומארזי סוללות כדי למקסם את חיי הפעולה תוך מניעת בעיות כמו טעינת-יתר, בריחה תרמית או תנאי תקלה אחרים העלולים לפגוע בביצועים, לגרום להרס התאים או אפילו לשריפה. עבור המתכננים, פרופיל פריקה שטוח יחסית של סוללות אלה מפשט את מימוש המעגל (איור 1).

איור 1: פרופיל מחזור הפריקה של תא ליתיום טיפוסי מראה מתח יציאה כמעט קבוע עד שהתא קרוב לפריקה מלאה. (מקור התמונה: Eaton Electronics‏)

בניגוד לכך, קבלי EDLC מאחסנים אנרגיה תוך שימוש בתהליך פיזיקלי ולא בריאקציה כימית. התקנים אלו הם סימטריים עם אלקטרודות פחם פעיל הן בצד האנודה והן בצד הקתודה. הטעינה והפריקה שלהם הם תהליכים אלקטרוסטטיים ללא ריאקציה כימית, ומספר המחזורים שלהם הוא למעשה בלתי-מוגבל. בניגוד לסוללות, מתח ההדקים שלהם נופל ליניארית כפונקציה של האנרגיה המועברת (איור 2).

איור 2: בניגוד לתא ליתיום, מתח היציאה של סופר-קבל יורד בהתמדה כשהוא משחרר את המטען המאוחסן. (מקור התמונה: Eaton Electronics‏)

טכנולוגיית EDLC היא פיתוח חדש יחסית בעולם הרכיבים הפסיביים. אפילו בשנות החמישים והשישים, החוכמה המקובלת הייתה שקבל של אפילו פאראד אחד יהיה בגודל של חדר. במקום זאת, המחקר על טכנולוגיות חומרים ומשטחים הוביל למבנים וטכניקות ייצור חדשים, ובסופו של דבר למה שמכונה "סופר-קבלים", וסיפק עשרות ואף מאות של פאראד במארז בסדר גודל של רכיבים פסיביים אחרים.

לאפשרויות הטופולוגיה יש פשרות

כתוצאה מההבדלים הבסיסיים בתכן ובביצועים בין סוללות לקבלי EDLC, על המתכננים להחליט אם להשתמש בהתקן אחד בלבד לאגירת אנרגיה או לשלב בין שניהם. אם הם בוחרים להשתמש בשילוב, עליהם להחליט בין טופולוגיות שונות, כל אחת מהן עם הפשרות וההשלכות שלהן ביחס לביצועים (איור 3).

איור 3: המתכננים יכולים לשלב סופר-קבל וסוללה בשלוש טופולוגיות נפוצות: (מלמעלה) במקביל, כיחידות עצמאיות, או בשילוב באמצעות בקר/מייצב. (מקור התמונה: Eaton Electronics‏)

• הגישה המקבילית היא הפשוטה ביותר, אך השימוש בסופר-קבל אינו אופטימלי, ומתח היציאה שלו קשור ישירות למתח הסוללה.
• השימוש בסוללה ובסופר-קבל כיחידות עצמאיות פועל בצורה הטובה ביותר כאשר יש עומס בסיס לא-קריטי ועומס קריטי נפרד שכן הוא מספק כוח באופן בלתי-תלוי לכל אחת מהן, אך גישה זו אינה מציעה את היתרון של סוג סינרגיה כלשהו בין היחידות הנפרדות.
• הסידור החכם משלב את היכולות של כל מקור אנרגיה וממקסם גם את מחזורי הפעולה וגם את משך החיים, אך הוא דורש רכיבי ניהול נוספים כגון בקר וייצוב DC-DC בין שני המקורות והעומס; טופולוגיה זו משמשת לרוב ביחידות הספקת-כוח הקשורות לתחבורה.

כשמשתמשים בטופולוגיות כאלו, הבחירה בסוללה ובסופר-קבל אינה החלטה של "או/או". המתכננים יכולים לבחור להשתמש בשניהם, אך שימוש בסוללה ובסופר-קבל במשולב מחייב את המתכננים להתמודד עם האתגר של מציאת האיזון האופטימלי בין המאפיינים השונים של כל אחד מהם.

החדשות הטובות הן שהודות לרכיב חדשני, אין צורך להתמודד עם הדילמה של "ו/או" בבחירה אם להשתמש בסוללות, בסופר-קבלים או בשניהם. משפחה של רכיבי אחסון אנרגיה היברידייים מבית Eaton Electronics‏ משלבת את התכונות של שניהם במארז אחד, ומבטלת את הצורך בפשרה.

הטיעונים לטובת סופר-קבלים היברידיים

סופר-קבלים היברידיים משלבים את המבנים הבסיסיים של סוללות ושל סופר-קבלים ביחידה פיזית אחת. רכיבים היברידיים אלה אינם רק אריזה פשוטה של סוללה וצמד סופר-קבלים נפרדים בתוך בית משותף. במקום זאת, הם מקורות אנרגיה הממזגים את הכימיה של סוללה עם הפיזיקה של סופר-קבלים בתוך מבנה אחד. כתוצאה מכך, התקנים היברידיים אלה מתגברים על החסרונות הנפרדים של סוללות וסופר-קבלים תוך שהם מספקים יתרונות ברורים למפתחים בעמידה בדרישות התכן.

סופר-קבלים היברידיים הם התקנים אסימטריים המורכבים מאנודת גרפיט עם אילוח (Doping‏) ליתיום וקתודת פחמן משופעלת. למרות שתנועת המטען נעשית בעיקר באופן אלקטרוכימי, היא נמצאת בעומק נמוך משמעותית בהשוואה לסוללת הליתיום-יון.

בין יתר התכונות, שילוב טכנולוגיות זה מביא למספר מחזורי טעינה/פריקה גבוה ביותר (מינימום של 500,000 מחזורים הוא אופייני) ותגובה מהירה ביותר לקצבי פריקה גבוהים (איור 4).

איור 4‏: סופר-קבלים היברידיים מתגברים על מגבלות מחזורי הטעינה/פריקה והקצב של סוללות, בין יתר מעלותיהם. (מקור התמונה: Eaton Electronics‏)

כיתרון נוסף, אין שימוש בתחמוצות מתכת ולכן סופר-קבלים היברידיים אלו אינם מהווים שום סיכון לשריפה או לבריחה תרמית. מאפייני היציאה לעומת רמת הטעינה הם גם תואמים לצרכים של מערכות מתח נמוך והספק נמוך (איור 5).

איור 5‏: פרופיל פריקת היציאה של סופר-קבלים היברידיים נמצא בין זה של סוללה לבין זה של סופר-קבל סטנדרטי. (מקור התמונה: Eaton Electronics‏)

כמו עם כל הרכיבים וגישות התכנון, כל פתרון לאחסון אנרגיה מציע פשרות בביצועים וביכולות. טבלה 1 מציגה את התכונות החיוביות ("+") ושליליות ("-") של אלה ביחס אחד לשני, במקרים טיפוסיים.

טבלה 1: השוואה של התכונות הטיפוסיות של סוללה, סופר-קבל וסופר-קבל היברידי מראה שההיברידי משלב את הטוב ביותר של שניהם. (מקור הטבלה: הכותב, תוך שימוש בנתונים של Eaton Electronics‏)

מהנדסים מנוסים יודעים כי אין גישה אחת מושלמת, ופעמים רבות תכונה חיובית אחת של אחד הפתרונות הזמינים היא כה חיונית עד שהיא גוברת על כל אחת מהגישות האחרות. לפיכך, דרישות המערכת יכתיבו את הפיתרון הסופי.

סופר-קבלים היברידיים מכסים את תחום פאראד/קיבולת-אנרגיה

שלא כמו רכיבים מיוחדים המציעים מספר מוגבל של מפרטים, קיימים סופר-קבלים היברידיים אלה המכסים תחום ביצועים רחב למדי. לדוגמא, בקצה התחתון של התחום נמצא HS1016-3R8306-R‏, יחידה של F‏ 30 מסדרת HS מבית Eaton של תאי סופר-קבלים היברידיים גליליים, שאורכם 18 מ"מ וקוטרם 10.5 מ"מ (איור 6).

איור 6‏: ה- HS1016-3R8306-R‏ מבית Eaton הוא יחידה של F‏ 30‏ של תא סופר-קבל היברידי גלילי מסדרת HS‏. (מקור התמונה: Eaton Electronics‏)

ל- HS1016-3R8306-R יש מתח פעולה של 3.8 וולט, והמפרט הקריטי שלו עבור ESR ראשוני הוא mΩ‏ 550‏ נמוך, וכתוצאה מכך צפיפות ההספק גבוהה למדי - פי שמונה מזו של סופר-קבלים סטנדרטיים. הוא יכול לספק זרם רצוף של A‏ 0.15 (עד A‏ 2.7 מקסימום) ויש לו דירוג קיבולת אנרגיה מאוחסנת של mWh‏ 40‏. כמו כל החלקים בסדרת HS, הוא מוכר UL, המפשט מאוד את תהליך אישור המוצר הכולל.

עבור סופר-קבל היברידי עם קיבולת גדולה יותר באותה משפחה, ה- HS1625-3R8227-R‏ הוא התקן F‏ 220‏ גלילי בממדים של 27 אורך ו- 16.5 מ"מ קוטר, עם ESR של mΩ‏ 100‏ המספק עד A‏ 1.1‏ זרם רצוף ו- A‏ 15.3‏ זרם שיא. קיבולת אחסון האנרגיה הכוללת שלה היא mWh‏ 293‏.

עם השילוב של הקיבולת, הביצועים והמפרט הפיזי שלהם, סופר-קבלים היברידיים מבית Eaton מתאימים היטב לספק הספק פולסים עצמאי עבור קישורים אלחוטיים במונים חכמים או במקביל לסוללה. הם מתאימים גם להספקת-כוח מסוג "מעבר-דרך" במהלך הפסקות חשמל או נפילות מתח קצרות בתהליכים תעשייתיים ובבקרי לוגיקה ניתנים-לתכנות, ובכך מונעים השבתות לעתים ממושכות שאפילו בעיית הספקת-כוח קצרה יכולה לגרום. בדומה, הם יכולים לתמוך בזיכרון Cache נדיף, שרתים ואחסון RAID רב-דיסקים במרכזי נתונים במהלך הפסקות חשמל כאלו.

סיכום

עבור מתכנני מערכות IoT, סופר-קבלים היברידיים הם אופציה טובה לאחסון אנרגיה והספקת כוח הודות לצפיפות האנרגיה הגבוהה, אורך החיים הארוך ומתח העבודה הגבוה יותר שלהם. בנויים עם סופר-קבלים היברידיים אלו, התכנים יכולים לדרוש פחות תאים ונפח קטן יותר בהשוואה לסופר-קבלים סטנדרטיים, תוך עמידה בדרישות הטמפרטורה ואורך-החיים שהם טובים יותר מסוללות לבד. הודות להסרת חלופות ופשרות קשות, רכיבים היברידיים אלה מאפשרים למהנדסי התכנון לעמוד ביתר קלות ביעדי הפרויקט המאתגרים.

מומלצים

1. סופר-קבלים היברידיים V‏ 3.8‏ להספק גבוה - סדרת HS‏
2. סופר-קבלים היברידיים להספק גבוה משיגים צפיפות אנרגיה גבוהה משמעותית לעומת פתרונות סטנדרטיים
3. מסמך מידע על סופר-קבלים היברידיים HS‏
4. סקירה כללית של טכנולוגיית סופר-קבלים היברידיים (סרטון)