ใช้การไฮบริดเพื่อดึงประโยชน์ของทั้งแบตเตอรี่และตัวเก็บประจุยิ่งยวดมาใช้ในการออกแบบ IoT

นักออกแบบผลิตภัณฑ์สำหรับการใช้งานตั้งแต่โหนด Internet of Things (IoT) ขนาดเล็ก การติดตามสินทรัพย์ และการวัดอัจฉริยะ ไปจนถึงอุปกรณ์ที่มีขนาดใหญ่ เช่น พลังงานสำรองและการรายงานสถานะของอุปกรณ์ ต่างก็ต้องการแหล่งพลังงานอิสระที่ชาร์จซ้ำได้มากขึ้น โดยทั่วไปแล้ว ตัวเลือกเหล่านี้จำกัดอยู่ที่แบตเตอรี่ไฟฟ้าเคมี ซึ่งมักจะใช้สารเคมีลิเธียมไอออน (Li) หรือตัวเก็บประจุแบบชั้นคู่ (EDLC) ซึ่งมักเรียกกันว่าตัวเก็บประจุยิ่งยวดหรือซุปเปอร์แคป ปัญหาคือไม่ว่าจะใช้เพียงอย่างเดียวหรือทั้งสองอย่างรวมกัน ซึ่งเทคโนโลยีแต่ละอย่างก็มีข้อจำกัดบางประการที่ทำให้นักพัฒนาต้องสร้างสมดุลระหว่างความสามารถและข้อจำกัดของแต่ละเทคโนโลยีกับวัตถุประสงค์การออกแบบ

วัตถุประสงค์สำหรับการใช้งานต่าง ๆ เหล่านั้นโดยเฉพาะอย่างยิ่งใน IoT พลังงานต่ำและ IoT ระดับอุตสาหกรรม (IIoT) มักประกอบไปด้วยวัตถุประสงค์ด้านความน่าเชื่อถือ อายุการใช้งานยาวนาน ประสิทธิภาพ ความหนาแน่นของพลังงาน และความสะดวกในการใช้งาน นำไปสู่การออกแบบและกระบวนการรวมระบบที่ง่ายขึ้น เวลาในการพัฒนาที่สั้นลง และต้นทุนโครงการที่ลดลง แม้ว่าจะสามารถใช้ Li-ion และ EDLC ร่วมกันได้อย่างสมบูรณ์แบบเพื่อให้บรรลุเป้าหมายเหล่านี้ แต่การออกแบบและการเพิ่มประสิทธิภาพทั้งสองวิธีอาจเป็นความพยายามที่ซับซ้อน การใช้วิธีบูรณาการอาจเป็นวิธีการที่เหมาะสมกว่า

บทความนี้กล่าวถึงข้อกำหนดของการออกแบบและเทคโนโลยีด้านพลังงานของ IoT ที่อยู่เบื้องหลังแบตเตอรี่ไฟฟ้าเคมีและ EDLC จากนั้นจะแนะนำแนวทางทางเลือกของรูปแบบอุปกรณ์กักเก็บพลังงานแบบไฮบริดที่รวมคุณลักษณะของแบตเตอรี่และ EDLC ไว้ในชุดเดียว โดยบทความจะแนะนำอุปกรณ์ตัวอย่างจาก Eaton – Electronics Division และพูดคุยเกี่ยวกับลักษณะและการใช้งาน

ระบบ IoT ใช้พลังงานต่ำและมีอายุการใช้งานยาวนาน

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาการใช้งานที่มีรอบการทำงานและพลังงานต่ำมีการเติบโตอย่างมาก ซึ่งการใช้งานดังกล่าวสามารถทำงานได้โดยใช้แหล่งพลังงานที่มีขนาดค่อนข้างเล็ก แม้ว่าวงจรในอุปกรณ์เหล่านี้จะมีกระแสไฟใช้งานในโหมดแอ็คทีฟตั้งแต่ระดับมิลลิแอมป์จนถึงแอมป์ แต่อุปกรณ์เหล่านี้มักมีการทำงานที่ขยายอายุการใช้งานในโหมดดีพสลีป ซึ่งโดยทั่วไปต้องใช้กระแสไฟฟ้าในระดับไมโครแอมป์เท่านั้น การใช้งานในอุปกรณ์เทคโนโลยีไร้สายที่ใช้พลังงานต่ำ อัตรารับส่งข้อมูลต่ำ และวัฏจักรการทำงานต่ำเหล่านี้ เช่น LoRaWAN หรือบลูทูธพลังงานต่ำ (BLE) ยังช่วยลดการใช้พลังงานอีกด้วย

สำหรับสภาวะการทำงานเหล่านี้ นักออกแบบมักจะพิจารณาเทคโนโลยีการจัดเก็บพลังงานสองแบบคือ แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนบางรุ่นหรือตัวเก็บประจุยิ่งยวด แต่ละแบบมีการแลกเปลี่ยนคุณสมบัติด้านความจุและความหนาแน่นของพลังงาน รอบอายุการใช้งาน แรงดันไฟฟ้าของเทอร์มินัล การคายประจุได้เอง ช่วงอุณหภูมิทำงาน ประสิทธิภาพที่อัตราการคายประจุต่ำและสูง และปัจจัยอื่น ๆ

ความแตกต่างที่สำคัญในเทคโนโลยีการจัดเก็บข้อมูล

โดยสังเขปแล้ว ไม่ว่าจะเป็นเซลล์หลัก (ไม่สามารถชาร์จใหม่ได้) หรือเซลล์สำรอง (แบบชาร์จซ้ำได้) แบตเตอรี่ขึ้นอยู่กับหลักการไฟฟ้าเคมี แบตเตอรีแบบลิเธียมมีแกรไฟต์เป็นขั้วแอโนดและออกไซด์ของ​เหล็กเป็นขั้วแคโทด โดยมีอิเล็กโทรไลต์แบบสอดประสานซึ่งปกติแล้วจะเป็นของเหลว แต่ก็อาจเป็นของแข็งได้ในการใช้งานบางประเภท โดยทั่วไปอายุการใช้งานของเซลล์แบบชาร์จไฟได้จะมีจำกัดไว้ที่หลายพันรอบการเก็บประจุ/การคายประจุ เนื่องจากการเสื่อมสภาพภายในรูปแบบต่าง ๆ

นอกจากนี้ แบตเตอรี่ยังต้องการการจัดการเซลล์และชุดแบตเตอรี่ที่ซับซ้อน เพื่อยืดอายุการใช้งานให้นานที่สุด ขณะเดียวกันก็ป้องกันปัญหาต่าง ๆ เช่น การชาร์จไฟเกิน การเสียหายจากความร้อนต่อเนื่อง หรือสภาวะความผิดปกติอื่น ๆ ที่อาจส่งผลให้ประสิทธิภาพการทำงานลดลง ทำลายเซลล์ หรือแม้แต่ไฟไหม้ สำหรับนักออกแบบ ลักษณะการคายประจุที่ค่อนข้างเรียบแบนของแบตเตอรี่เหล่านี้ช่วยลดความยุ่งยากในการใช้งานวงจร (รูปที่ 1)

รูปที่ 1: ลักษณะรอบการคายประจุของเซลล์ Li-ion ทั่วไปแสดงแรงดันเอาต์พุตที่เกือบคงที่จนกระทั่งเซลล์จะคายประจุจนหมด (ที่มาของภาพ: Eaton – Electronics Division)

ในทางกลับกัน EDLC เก็บพลังงานโดยใช้กระบวนการทางฟิสิกส์แทนที่จะเป็นปฏิกิริยาเคมี อุปกรณ์เหล่านี้มีความสมมาตรด้วยอิเล็กโทรดถ่านกัมมันต์ที่ทั้งด้านแอโนดและแคโทด การชาร์จและการคายประจุเป็นกระบวนการไฟฟ้าสถิตที่ไม่มีปฏิกิริยาทางเคมี และในทางปฏิบัติอายุการใช้งานของวงจรนั้นไม่จำกัด ตรงกันข้ามกับแบตเตอรี่ แรงดันระหว่างขั้วของแบตเตอรี่จะลดลงโดยมีความสัมพันธ์เชิงเส้นกับฟังก์ชันของพลังงานที่ส่ง (รูปที่ 2)

รูปที่ 2: ตรงกันข้ามกับเซลล์ Li-ion ที่แรงดันเอาต์พุตของแรงดันเอาต์พุตของตัวเก็บประจุยิ่งยวดจะลดลงอย่างต่อเนื่องเมื่อปล่อยประจุที่เก็บไว้ (ที่มาของภาพ: Eaton – Electronics Division)

เทคโนโลยี EDLC เป็นการพัฒนาที่ค่อนข้างใหม่ในโลกของอุปกรณ์แบบพาสซีฟ โดยในทศวรรษช่วง 1950 และ 1960 เดิมทีตัวเก็บประจุที่มีค่าเพียงฟารัดเดียวมีขนาดเท่ากับห้องห้องหนึ่ง ต่อมาก็มีการวิจัยเกี่ยวกับวัสดุและเทคโนโลยีพื้นผิวนำไปสู่โครงสร้างและเทคนิคการประดิษฐ์ใหม่ ๆ และในที่สุดก็ถึงสิ่งที่ถูกขนานนามว่าตัวเก็บประจุยิ่งยวด โดยมีค่าเก็บประจุหลายสิบหรือหลายร้อยฟารัดในขนาดที่ใกล้เคียงกับอุปกรณ์พาสซีฟพื้นฐานอื่น ๆ

ตัวเลือกโทโพโลยีมีข้อแลกเปลี่ยน

ผลจากการออกแบบพื้นฐานและความแตกต่างด้านประสิทธิภาพระหว่างแบตเตอรี่และ EDLC นักออกแบบจึงต้องตัดสินใจว่าจะใช้อุปกรณ์กักเก็บพลังงานเพียงอย่างเดียวหรือรวมทั้งสองเข้าด้วยกัน หากพวกเขาเลือกใช้ทั้งสองอย่าง พวกเขาจะต้องตัดสินใจระหว่างโทโพโลยีต่าง ๆ ซึ่งแต่ละโทโพโลยีมีการแลกเปลี่ยนและผลกระทบที่เกี่ยวข้องกับประสิทธิภาพ (รูปที่ 3)

รูปที่ 3: นักออกแบบสามารถรวมตัวเก็บประจุยิ่งยวดและแบตเตอรี่ในโทโพโลยีทั่วไปสามแบบ: (จากด้านบน) แบบขนาน แบบอิสระ หรือรวมกันผ่านคอนโทรลเลอร์/ตัวควบคุม (ที่มาของภาพ: Eaton – Electronics Division)

• วิธีการแบบขนานนั้นง่ายที่สุด แต่การใช้ตัวเก็บประจุยิ่งยวดนั้นไม่ใช่สิ่งที่ดีที่สุด และแรงดันเอาต์พุตจะเชื่อมโยงโดยตรงกับแรงดันแบตเตอรี่
• การใช้แบตเตอรี่และตัวเก็บประจุยิ่งยวดอิสระจากกันจะทำงานได้ดีที่สุดเมื่อมีโหลดฐานที่ไม่สำคัญและโหลดวิกฤตที่แยกจากกัน เนื่องจากจะให้พลังงานที่เป็นอิสระสำหรับแต่ละส่วน แต่วิธีนี้ไม่ก่อให้เกิดประโยชน์จากการทำงานร่วมกันระหว่างส่วนที่แยกจากกัน
• การจัดเรียงอย่างชาญฉลาดผสมผสานความสามารถของแหล่งพลังงานแต่ละแหล่งและเพิ่มทั้งเวลาการทำงานและอายุการใช้งานของวงจร แต่ต้องใช้ส่วนประกอบการจัดการเพิ่มเติม เช่น คอนโทรลเลอร์/ตัวควบคุม DC-DC ระหว่างแหล่งพลังงานสองแหล่งและโหลด โทโพโลยีนี้มักใช้กับหน่วยพลังงานที่เกี่ยวข้องกับการขนส่ง

เมื่อใช้โทโพโลยีเช่นนี้ การเลือกแบตเตอรี่และตัวเก็บประจุยิ่งยวดไม่ใช่การตัดสินใจ "เลือกอย่างใดอย่างหนึ่ง" นักออกแบบสามารถเลือกใช้ทั้งสองอย่างได้ แต่การใช้แบตเตอรี่และตัวเก็บประจุยิ่งยวดร่วมกันทำให้นักออกแบบต้องเผชิญกับความท้าทายในการหาสมดุลที่เหมาะสมที่สุดระหว่างคุณลักษณะที่แตกต่างกันของแต่ละอย่าง

ข่าวดีก็คือเนื่องจากนวัตกรรมส่วนประกอบ คุณจึงไม่จำเป็นต้องเผชิญปัญหาว่าจะเลือกใช้แบตเตอรี่หรือตัวเก็บประจุยิ่งยวด หรือทั้งสองอย่าง กลุ่มส่วนประกอบเก็บพลังงานแบบไฮบริดจาก Eaton – Electronics Division ได้รวมเอาคุณลักษณะของทั้งสองอย่างไว้ในแพ็คเกจเดียว ทำให้ไม่จำเป็นต้องเลือกเอาคุณสมบัติของอย่างใดอย่างหนึ่งเพียงอย่างเดียว

กรณีของตัวเก็บประจุยิ่งยวดแบบไฮบริด

ตัวเก็บประจุยิ่งยวดแบบไฮบริดรวมโครงสร้างพื้นฐานของทั้งแบตเตอรี่และตัวเก็บประจุยิ่งยวดไว้ในโครงสร้างเดียว ส่วนประกอบไฮบริดเหล่านี้ไม่ได้เป็นเพียงแพ็คเกจที่เรียบง่ายของคู่แบตเตอรี่และตัวเก็บประจุยิ่งยวดในแพ็คเกจร่วมเดียวกัน นอกจากนั้นยังเป็นแหล่งพลังงานที่รวมคุณสมบัติทางเคมีของแบตเตอรี่เข้ากับหลักการทางฟิสิกส์ของตัวเก็บประจุยิ่งยวดในโครงสร้างเดียว เป็นผลให้อุปกรณ์ไฮบริดเหล่านี้เอาชนะข้อบกพร่องของทั้งแบตเตอรี่และซูเปอร์แคป ในขณะที่ให้ประโยชน์ที่ชัดเจนแก่นักพัฒนาในการปฏิบัติตามข้อกำหนดด้านการออกแบบ

ตัวเก็บประจุยิ่งยวดแบบไฮบริดเป็นอุปกรณ์อสมมาตรที่ประกอบด้วยแอโนดกราไฟต์ที่มีสารเจือลิเทียมและแคโทดที่เป็นถ่านกัมมันต์ แม้ว่าการเคลื่อนที่ของประจุจะเกิดขึ้นจากวิธีทางเคมีไฟฟ้าเป็นหลัก แต่ก็มีระดับความลึกที่ต่ำกว่ามากเมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ Li-ion

ท่ามกลางคุณลักษณะอื่น ๆ การผสมผสานของเทคโนโลยีนี้ส่งผลให้มีวงจรชีวิตที่สูงมาก (โดยทั่วไปอย่างน้อย 500,000 รอบ) และการตอบสนองที่รวดเร็วมากต่ออัตราการปลดปล่อยที่สูง (รูปที่ 4)

รูปที่ 4: ตัวเก็บประจุยิ่งยวดแบบไฮบริดเอาชนะข้อจำกัดด้านอัตราและรอบการเก็บประจุ/การคายประจุของแบตเตอรี่ และยังมีข้อดีต่าง ๆ อีกหลายด้าน (ที่มาของภาพ: Eaton – Electronics Division)

ข้อดีเพิ่มเติมคือ ไม่มีการใช้โลหะออกไซด์ ดังนั้นซุปเปอร์แคปแบบไฮบริดเหล่านี้จึงไม่เสี่ยงต่อการเกิดไฟไหม้หรือความเสียหายจากความร้อน ลักษณะเอาต์พุตกับระดับการชาร์จยังเข้ากันได้กับความต้องการของระบบไฟฟ้าแรงต่ำและมีกำลังไฟฟ้าต่ำ (รูปที่ 5)

รูปที่ 5: รูปแบบการปลดปล่อยเอาต์พุตของตัวเก็บประจุยิ่งยวดแบบไฮบริดอยู่ระหว่างแบตเตอรี่และตัวเก็บประจุยิ่งยวดมาตรฐาน (ที่มาของภาพ: Eaton – Electronics Division)

เช่นเดียวกับส่วนประกอบและแนวทางการออกแบบทั้งหมด โซลูชันการจัดเก็บพลังงานแต่ละแบบมีข้อดีข้อเสียในด้านประสิทธิภาพและความสามารถต่างกัน ตารางที่ 1 แสดงคุณลักษณะค่าบวก (“+”) และค่าลบ (“-”) ของค่าเหล่านี้สัมพันธ์กันในกรณีทั่วไป

ตารางที่ 1: การเปรียบเทียบลักษณะทั่วไปของแบตเตอรี่ ตัวเก็บประจุยิ่งยวด และตัวเก็บประจุยิ่งยวดแบบไฮบริด แสดงให้เห็นว่าไฮบริดผสมผสานสิ่งที่ดีที่สุดของทั้งสองอย่างเข้าด้วยกัน (ที่มาของตาราง: ผู้เขียนใช้ข้อมูลจาก Eaton – Electronics Division)

วิศวกรผู้มีประสบการณ์ทราบดีว่าไม่มีแนวทางใดที่สมบูรณ์แบบ และหลายครั้งที่คุณลักษณะเชิงบวกเพียงข้อเดียวของหนึ่งในโซลูชันที่มีอยู่มีความสำคัญมากจนต้องแทนที่แนวทางอื่น ๆ ดังนั้นความต้องการของระบบจึงเป็นตัวกำหนดโซลูชันขั้นสุดท้าย

ตัวเก็บประจุยิ่งยวดแบบไฮบริดครอบคลุมช่วงฟารัด/ความจุพลังงาน

ซึ่งแตกต่างจากส่วนประกอบพิเศษบางตัวที่มีข้อกำหนดเฉพาะจำนวนจำกัด ตัวเก็บประจุยิ่งยวดแบบไฮบริดเหล่านี้มีให้ใช้งานได้ครอบคลุมช่วงประสิทธิภาพที่ค่อนข้างกว้าง ตัวอย่างเช่น ที่ด้านล่างสุดของช่วงคือ HS1016-3R8306-R30 F ใน HS Series ของ Eaton เซลล์ตัวเก็บประจุยิ่งยวดแบบไฮบริดทรงกระบอกยาว 18 มม. เส้นผ่านศูนย์กลาง 10.5 มม. (รูปที่ 6)

รูปที่ 6: Eaton HS1016-3R8306-R เป็นหน่วย 30 F ใน HS Series ของเซลล์ตัวเก็บประจุยิ่งยวดแบบไฮบริดทรงกระบอก (ที่มาของภาพ: Eaton – Electronics Division)

HS1016-3R8306-R มีแรงดันไฟทำงาน 3.8 โวลต์ และข้อกำหนดที่สำคัญสำหรับ ESR เริ่มต้นคือ 550 mΩ ต่ำ ส่งผลให้มีความหนาแน่นของพลังงานค่อนข้างสูงมากถึงแปดเท่าของตัวเก็บประจุยิ่งยวดมาตรฐาน โดยสามารถจ่ายกระแสไฟต่อเนื่องได้ 0.15 A (สูงสุด 2.7 A) และมีอัตราความจุพลังงานที่เก็บไว้ที่ 40 mWh เช่นเดียวกับอุปกรณ์ทั้งหมดใน HS Series นั้นเป็นที่ยอมรับของ UL ทำให้กระบวนการอนุมัติผลิตภัณฑ์โดยรวมง่ายขึ้นเป็นอย่างมาก

สำหรับซูเปอร์แคปแบบไฮบริดที่มีความจุมากขึ้นในตระกูลเดียวกัน HS1625-3R8227-R เป็นอุปกรณ์ทรงกระบอก 220 F ยาว 27 มม. เส้นผ่านศูนย์กลาง 16.5 มม. โดยมี ESR 100 mΩ ให้กระแสไฟสูงสุด 1.1 A ต่อเนื่องและ 15.3 A สูงสุด ความจุรวมของพลังงานคือ 293 mWh

ด้วยการผสมผสานระหว่างความจุ ประสิทธิภาพ และข้อมูลจำเพาะทางกายภาพ ตัวเก็บประจุยิ่งยวดแบบไฮบริดของ Eaton จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการจ่ายพลังงานพัลส์แบบสแตนด์อโลนสำหรับการเชื่อมโยงแบบไร้สายในมิเตอร์อัจฉริยะหรือแบบขนานกับแบตเตอรี่ นอกจากนี้ยังเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการจ่ายไฟแบบ "ชั่วคราว" ระหว่างที่ไฟดับช่วงสั้น ๆ หรือไฟดับในกระบวนการทางอุตสาหกรรมและตัวควบคุมลอจิกแบบตั้งโปรแกรมได้ ดังนั้นจึงหลีกเลี่ยงผลจากการหยุดทำงานและบ่อยครั้งที่มักจะทำให้ปัญหาด้านพลังงานเกิดขึ้น ในทำนองเดียวกัน สามารถรองรับหน่วยความจำแคชแบบลบเลือนได้ เซิร์ฟเวอร์ และหน่วยเก็บข้อมูล RAID แบบมัลติดิสก์ในศูนย์ข้อมูลระหว่างที่ไฟฟ้าขัดข้อง

สรุป

สำหรับนักออกแบบระบบ IoT ตัวเก็บประจุยิ่งยวดแบบไฮบริดเป็นตัวเลือกที่ดีสำหรับการจัดเก็บพลังงานและการจ่ายพลังงาน เนื่องจากมีความหนาแน่นของพลังงานสูง อายุการใช้งานที่ยาวนาน และแรงดันไฟฟ้าในการทำงานที่สูงขึ้น เมื่อสร้างขึ้นด้วยตัวเก็บประจุยิ่งยวดแบบไฮบริดเหล่านี้ การออกแบบอาจต้องการเซลล์และปริมาตรที่น้อยกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับตัวเก็บประจุยิ่งยวดมาตรฐาน ในขณะเดียวกันก็ตอบสนองความต้องการด้านอุณหภูมิและอายุการใช้งานได้ดีกว่าการใช้แบตเตอรี่เพียงอย่างเดียว จากการขจัดการแลกเปลี่ยนและการตัดสินใจเลือกอย่างใดอย่างหนึ่ง ส่วนประกอบไฮบริดเหล่านี้ช่วยให้วิศวกรออกแบบสามารถบรรลุวัตถุประสงค์ของโครงการที่ท้าทายได้ง่ายขึ้น

แนะนำ

1. ตัวเก็บประจุยิ่งยวดแบบไฮบริดกำลังสูง 3.8 V – HS ซีรี่ส์
2. ตัวเก็บประจุยิ่งยวดแบบไฮบริดกำลังสูงมีความหนาแน่นของพลังงานสูงกว่าโซลูชันมาตรฐานเป็นอย่างมาก
3. เอกสารที่ไว้นำเสนอข้อมูลของตัวเก็บประจุยิ่งยวดแบบไฮบริด HS
4. ภาพรวมเทคโนโลยีตัวเก็บประจุยิ่งยวดแบบไฮบริด (วิดีโอ)