Hybride supercondensatoren bieden alternatief voor energieopslag

De oplaadbare batterij en de supercondensator hebben elk relatieve voor- en nadelen, maar een hybride ontwerp dat beide technologieën in een enkele structuur samenvoegt, kan veel van de beperkingen van elk overwinnen.

De elektrische dubbellaags condensator (EDLC) - meestal een "supercondensator" en soms een "ultracondensator" genoemd - is een verbazingwekkende passieve energieopslagcomponent. Als gevolg van de hoge capaciteit van meerdere farads en het kleine formaat, biedt het een hoge dichtheid energieopslag door zowel volume als gewicht. In sommige toepassingen voor teledetectie, IoT en energiewinning zijn supercaps een alternatief voor oplaadbare batterijen; in andere situaties worden ze gebruikt in combinatie met batterijen om enkele van de zwakheden van deze elektrochemisch gebaseerde energieopslagcomponenten te verhelpen. Het is niet zo dat de ene inherent beter is dan de andere; in plaats daarvan hebben supercaps en oplaadbare batterijen (ongeacht de chemie) elk hun relatieve sterke en zwakke punten. De prioriteiten van de applicatie bepalen welke het meest logisch is, of beide zijn nodig in een soort tandemarrangement.

Er is nog een interessant alternatief voor het kiezen van slechts één of zelfs beide als twee discrete componenten:de hybride supercondensator. Dit energieopslagapparaat is niet zomaar een voor de hand liggende co-verpakking van een oplaadbare batterij en een supercap. In plaats daarvan gebruikt het een unieke constructie waarin het enkele samenstel tegelijkertijd zowel een supercap als een Li-ion-batterij is, figuur 1 (zie referenties voor meer details).

Figuur 1:Deze bovenste weergave van de structuur van de hybride supercondensator laat zien dat het geen supercap is en een batterij die een enkelvoudig pakket met twee aansluitingen deelt. (Bron afbeelding:Taiyo Yuden)

Onder de leveranciers van deze hybride supercaps zijn Taiyo Yuden (het bedrijf noemt ze lithium-ion-supercondensatoren, wat technisch gezien helemaal correct is), Eaton en Maxwell Technologies, Inc. (nu onderdeel van Tesla).

Er zijn veel geposte tabellen met vergelijkingen tussen standaard supercaps en oplaadbare lithium-ionbatterijen (tabel 1). Houd er rekening mee dat elke resource en leverancier een ander perspectief heeft, zoals je zou verwachten, en de technologie zelf evolueert in een snel tempo.

Tabel 1:Hierin worden de topkenmerken van supercondensatoren vergeleken met oplaadbare lithium-ionbatterijen; elk kan een andere set items hebben, afhankelijk van de informatiebron en timing. (Bron afbeelding:Maxwell Technologies, Inc., via Battery University)

Ondanks de duidelijke voordelen van deze hybride supercaps, heb ik altijd gemengde gevoelens gehad over hybride apparaten en structuren in het algemeen. Aan de ene kant stelt de combinatie van twee technologieën of materialen ons vaak in staat om de beste aspecten van elk te behouden en tegelijkertijd enkele zwakke punten te overwinnen. Dit geldt niet alleen voor elektronica:denk aan beton versterkt met staven, of de met koolstofvezel versterkte polymeren (CFRP) die worden gebruikt als de huid van de nieuwste generatie vliegtuigrompen en appendages.

Tegelijkertijd hebben deze combinaties soms nieuwe tekortkomingen. Multifunctionele testapparatuur kan bijvoorbeeld verminderde specificaties of bepaalde flexibiliteitslimieten hebben in vergelijking met geoptimaliseerde eenheden voor één doel. Het algemeen bekende "Zwitserse zakmes" is een niet-elektrisch voorbeeld:elk van zijn individuele gereedschappen kan "OK genoeg" zijn, maar is zeker niet zo goed als een speciaal gereedschap; desalniettemin biedt de algehele combinatie van mes/accessoire en verpakking voordelen in grootte, gewicht en kosten.

Voor hybride supercaps is er ook een managementprobleem. Oplaadbare Li-ion-batterijen hebben hun specifieke behoeften met betrekking tot toezicht op laad- en ontlaadsnelheden, het tellen van coulomb en temperatuur (om een ​​paar factoren te noemen) - en supercaps hebben hun eigen vergelijkbare lijst. Dus, hoe moet de hybride supercap worden beheerd? Zullen de tactieken in conflict zijn, of zijn ze vergelijkbaar genoeg dat een enkele aanpak kan werken voor de hybride met twee terminals?

Ik denk aan de tunneldiode:ondanks zijn aantrekkelijke prestatiekenmerken, was het als een apparaat met twee terminals zonder duidelijke input-output-aardverbindingen vrij moeilijk om daadwerkelijk te gebruiken en viel dus in ongenade; hetzelfde geldt voor de PIN-diode (kijk maar naar enkele van de schema's van het toepassingscircuit). Misschien werken IC's zoals de onlangs geïntroduceerde Maxim MAX38889, een 2,5V tot 5,5V, 3A omkeerbare buck/boost-regelaar die is geoptimaliseerd voor supercap-back-uptoepassingen, goed genoeg voor beide? (Figuur 2)

Figuur 2:De MAX38889 richt zich specifiek op het beheer van supercondensatoren; er kan ook een batterij in het circuit zitten. (Bron afbeelding:Maxim Integrated Products)

Om te beslissen of een hybride oplossing voor een bepaald probleem moet worden gebruikt, moeten vaak moeilijk te beoordelen afwegingen worden gemaakt. Naast de voor de hand liggende voordelen waarbij elk onderdeel een of meer kortsluitingen van het andere overwint, zijn er ook veel gevallen waarin nieuwe zwakheden worden geïntroduceerd.

Heeft het zin om de supercap hybride te gebruiken? Het antwoord is simpel:het hangt ervan af. In sommige gevallen is een nieuwe tekortkoming in de toepassing onaanvaardbaar, in andere gevallen wegen de nieuwe voordelen op tegen de nadelen. Kwantitatief moet het model niet alleen de vergelijking oplossen "is 1 +1 <, =of> 2?" maar moet ook eventuele hiaten beoordelen die de oplossing creëert.

Wat is uw ervaring met hybride — gecombineerde of samengevoegde — oplossingen (en niet alleen hybride supercaps)? Was de algehele winst belangrijker dan een bijkomend nadeel? Hoe oordeel je over de balans tussen voor- en nadelen van de hybride aanpak?

Referenties
Eaton, "Hybride supercondensatoren uitgelegd"

Eaton, "HS Hybrid supercondensator wit papier"

Battery University, "BU-209:Hoe werkt een supercondensator?"

Taiyo Yuden, "Lithium-ioncondensatoren:de ultieme EDLC-vervanging"

Taiyo Yuden, “Power Storage Devices:Lithium Ion condensatoren; Elektrische dubbellaagse condensatoren”

Tech Briefs, "Supercapacitors gaan hybride voor betere prestaties en efficiëntie"

>> Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op onze zustersite, EE Tijden.

---

Verwante inhoud:

• Ontwerpuitdagingen aanpakken bij nauwkeurige DC-energiemeting
• Batterijbeheersysteem biedt redundantie voor autonome voertuigtoepassingen
• De levensduur van lithium-ionbatterijen beoordelen voor implanteerbare medische apparaten
• Voedingsanalyse gebruiken om de levensduur van de batterij in IoT-apparaten te optimaliseren
• PMIC's met een lage ruststroom helpen de levensduur van de batterij te verlengen
• Geïntegreerde apparaten vereenvoudigen het energiebeheer op mobiele platforms
• PMIC's met een lage ruststroom helpen de levensduur van de batterij te verlengen

Abonneer u voor meer Embedded op de wekelijkse e-mailnieuwsbrief van Embedded.