Utilizar híbridos para aportar las ventajas de las baterías y los supercondensadores a los diseños de IoT

Los diseñadores de productos para aplicaciones que van desde los nodos de Internet de las Cosas (IoT) a pequeña escala, el seguimiento de activos y la medición inteligente, hasta otras más grandes como la alimentación de reserva de los equipos y los informes de estado, requieren cada vez más una fuente independiente de energía recargable. Normalmente, sus opciones se han limitado a una batería electroquímica, normalmente basada en la química de los iones de litio (Li), o a un condensador eléctrico de doble capa (EDLC), a menudo denominado supercondensador o supercap. El problema es que, tanto si se utilizan solas como combinadas, cada tecnología presenta ciertas limitaciones, lo que obliga a los desarrolladores a equilibrar las capacidades y limitaciones de cada una con sus objetivos de diseño.

Esos objetivos, en particular para las aplicaciones de IoT e IoT industrial (IIoT) de baja potencia, suelen incluir la fiabilidad, la larga vida útil, la eficiencia, la densidad de energía y la facilidad de uso, lo que conduce a un proceso de diseño e integración más sencillo, un menor tiempo de desarrollo y un menor costo del proyecto. Aunque es perfectamente factible utilizar tanto el Li-ion como el EDLC juntos para lograr estos objetivos, el diseño y la optimización de ambos enfoques puede ser una tarea compleja. Un enfoque integrado puede ser más adecuado.

En este artículo se analizan los requisitos de los diseños de energía del IoT y las tecnologías que hay detrás de las baterías electroquímicas y los EDLC. A continuación, presenta un enfoque alternativo en forma de componentes híbridos de almacenamiento de energía que combinan los atributos de las baterías y los EDLC en un solo paquete. El artículo presentará ejemplos de dispositivos de la Eaton — Electronics Divisio y discutirá sus características y aplicaciones.

Los sistemas IoT exigen bajo consumo y larga vida útil

En los últimos años se ha producido un enorme crecimiento de las aplicaciones de bajo consumo y bajo ciclo de trabajo que pueden funcionar con fuentes de energía relativamente pequeñas. Aunque los circuitos de estos dispositivos tienen corrientes de funcionamiento en modo activo que van desde los miliamperios hasta los amperios, estos dispositivos suelen tener un funcionamiento prolongado en modos de suspensión profunda que suelen requerir solo microamperios. El uso en estos dispositivos de tecnologías inalámbricas de bajo consumo, baja tasa y bajo ciclo de trabajo, como LoRaWAN o Bluetooth de baja energía (BLE), también ayuda a minimizar el consumo de energía.

Para estas condiciones de funcionamiento, los diseñadores suelen considerar dos tecnologías de almacenamiento de energía: alguna variante de la batería de iones de litio o un supercondensador. Cada uno de ellos ofrece compensaciones en cuanto a capacidad y densidad de energía, ciclos de vida, voltaje de los terminales, autodescarga, rango de temperatura de funcionamiento, rendimiento a tasas de descarga bajas y altas, y otros factores.

Principales diferencias en las tecnologías de almacenamiento

En resumen, tanto si se trata de una pila primaria (no recargable) como de una secundaria (recargable), una pila se basa en principios electroquímicos. Una batería de litio contiene un ánodo de grafito y un cátodo de óxido metálico, con un electrolito interpuesto que suele ser líquido pero que puede ser sólido en algunas realizaciones. La vida de las pilas recargables está limitada normalmente a varios miles de ciclos de carga y descarga debido a diversas formas de degradación interna.

Además, las baterías requieren una gestión sofisticada de las celdas y del paquete de baterías para maximizar su vida útil y evitar problemas como la sobrecarga, el desbordamiento térmico u otras condiciones de fallo que pueden dar lugar a un rendimiento degradado, la destrucción de las celdas o incluso un incendio. Para los diseñadores, el perfil de descarga relativamente plano de estas baterías simplifica la implementación del circuito (Figura 1).

Figura 1: El perfil del ciclo de descarga de una célula típica de iones de litio muestra una tensión de salida casi constante hasta que la célula se acerca a la descarga completa. (Fuente de la imagen: Eaton - Electronics Division)

En cambio, los EDLC almacenan la energía mediante un proceso físico y no mediante una reacción química. Estos dispositivos son simétricos con electrodos de carbón activado tanto en el ánodo como en el cátodo. Su carga y descarga son procesos electrostáticos sin reacción química, y su vida útil es prácticamente ilimitada. A diferencia de las pilas, su tensión en los bornes cae linealmente en función de la energía suministrada (figura 2).

Figura 2: A diferencia de una célula de iones de litio, la tensión de salida de un supercondensador disminuye de forma constante a medida que cede la carga almacenada. (Fuente de la imagen: Eaton - Electronics Division)

La tecnología EDLC es un desarrollo relativamente nuevo en el mundo de los componentes pasivos. Incluso en las décadas de 1950 y 1960, la opinión generalizada era que un condensador de un solo faradio tendría el tamaño de una habitación. En cambio, la investigación sobre materiales y tecnologías de superficie condujo a nuevas estructuras y técnicas de fabricación, y finalmente a lo que se denominó el supercondensador, que proporciona decenas e incluso cientos de faradios en un paquete de tamaño comparable al de otros pasivos básicos.

Las opciones de topología tienen ventajas y desventajas

Como consecuencia de las diferencias básicas de diseño y rendimiento entre las baterías y los EDLC, los diseñadores deben decidir si utilizar un solo dispositivo de almacenamiento de energía o combinar ambos. Si optan por una combinación, deben decidir entre varias topologías, cada una con sus respectivas compensaciones e implicaciones en cuanto a rendimiento (Figura 3).

Figura 3: Los diseñadores pueden combinar un supercondensador y una batería en tres topologías comunes: (desde arriba) en paralelo, como unidades independientes, o combinadas mediante un controlador/regulador. (Fuente de la imagen: Eaton - Electronics Division)

• El enfoque en paralelo es el más sencillo, pero el uso del supercondensador no es óptimo, y su tensión de salida está directamente ligada a la de la batería.
• Utilizar una batería y un supercondensador como unidades independientes funciona mejor cuando hay una carga base no crítica y una carga crítica separada, ya que proporciona energía independiente para cada una, pero este enfoque no ofrece la ventaja de ningún tipo de sinergia entre las unidades separadas.
• La disposición inteligente combina las capacidades de cada fuente de energía y maximiza tanto el tiempo de funcionamiento como la duración del ciclo, pero requiere componentes de gestión adicionales, como un controlador y la regulación DC-DC entre las dos fuentes y la carga; esta topología es la más utilizada con las unidades de potencia relacionadas con el transporte.

Cuando se utilizan topologías como éstas, la elección de una batería y un supercondensador no es una decisión de "uno u otro". Los diseñadores pueden optar por utilizar ambos, pero el uso combinado de una batería y un supercondensador requiere que el diseñador se enfrente al reto de encontrar el equilibrio óptimo entre las diferentes características de cada uno.

La buena noticia es que, gracias a un componente innovador, no es necesario enfrentarse a un dilema "y/o" a la hora de elegir si se utilizan baterías, supercondensadores o ambos. Una familia de componentes híbridos de almacenamiento de energía de Eaton - División Electrónica, combina los atributos de ambos en un solo paquete, eliminando la necesidad de compromiso.

El caso de las supercápsulas híbridas

Los supercondensadores híbridos combinan las estructuras subyacentes de las baterías y los supercondensadores en una unidad física. Estos componentes híbridos no son un simple embalaje de un par de baterías y supercondensadores distintos en una carcasa común. En cambio, son fuentes de energía que fusionan la química de una batería con la física de un supercondensador en una sola estructura. Como resultado, estos dispositivos híbridos superan las deficiencias separadas de las baterías y las supercápsulas, a la vez que proporcionan claras ventajas al desarrollador para cumplir con los requisitos de diseño.

Los supercondensadores híbridos son dispositivos asimétricos que comprenden un ánodo de grafito dopado con Li y un cátodo de carbón activado. Aunque el movimiento de carga se realiza principalmente de forma electroquímica, es a una profundidad significativamente menor en comparación con la batería de iones de litio.

Entre otros atributos, esta combinación de tecnologías da lugar a un recuento de ciclos de vida muy elevado (un mínimo de 500.000 ciclos es típico) y una capacidad de respuesta muy rápida a altas tasas de descarga (Figura 4).

Figura 4: El supercondensador híbrido supera las limitaciones de ciclo de carga/descarga y de velocidad de una batería, entre otras virtudes. (Fuente de la imagen: Eaton - Electronics Division)

Como ventaja añadida, no se utilizan óxidos metálicos y, por tanto, estas supercápsulas híbridas no suponen ningún riesgo de incendio ni de desbordamiento térmico. Las características de salida frente al nivel de carga también son compatibles con las necesidades de los sistemas de bajo voltaje y baja potencia (Figura 5).

Figura 5: El perfil de descarga de salida del supercondensador híbrido se sitúa entre el de una batería y el de un supercondensador estándar. (Fuente de la imagen: Eaton - Electronics Division)

Como ocurre con todos los componentes y enfoques de diseño, cada solución de almacenamiento de energía ofrece compensaciones en cuanto a rendimiento y capacidades. El cuadro 1 muestra los atributos positivos ("+") y negativos ("-") de estos en relación con los demás, para casos típicos.

Tabla 1: Una comparación de las características típicas de una batería, un supercondensador y un supercondensador híbrido muestra que el híbrido combina lo mejor de ambos. (Fuente de la tabla: El autor, con datos de Eaton – Electronics Division)

Los ingenieros experimentados saben que ningún enfoque es perfecto, y muchas veces un solo atributo positivo de una de las soluciones disponibles es tan vital que anula cualquiera de los otros enfoques. Por lo tanto, los requisitos del sistema dictarán la solución final.

Los supercondensadores híbridos abarcan la gama de faradios/capacidad energética

A diferencia de algunos componentes especializados que sólo ofrecen un número limitado de especificaciones, estos supercondensadores híbridos están disponibles cubriendo una gama de prestaciones bastante amplia. Por ejemplo, en el extremo inferior de la gama se encuentra la HS1016-3R8306-R, una unidad de 30 F de la serie HS de Eaton de celdas de supercondensadores híbridos cilíndricos, que mide 18 mm de longitud con un diámetro de 10.5 mm (Figura 6).

Figura 6: El HS1016-3R8306-R de Eaton es una unidad de 30 F de la serie HS de celdas híbridas y cilíndricas de supercondensadores. (Fuente de la imagen: Eaton - Electronics Division)

El HS1016-3R8306-R tiene un voltaje de funcionamiento de 3.8 voltios, y su especificación crítica para la ESR inicial es de unos bajos 550 mΩ, lo que se traduce en una densidad de potencia bastante alta, hasta ocho veces superior a la de un supercondensador estándar. Puede proporcionar 0.15 A de corriente continua (hasta 2.7 A como máximo) y tiene una capacidad de energía almacenada de 40 mWh. Al igual que todos los miembros de la serie HS, cuenta con el reconocimiento de UL, lo que simplifica enormemente el proceso general de aprobación del producto.

Para una supercápsula híbrida de mayor capacidad de la misma familia, la HS1625-3R8227-R es un dispositivo cilíndrico de 220 F que mide 27 mm de largo por 16.5 mm de diámetro, con una ESR de 100 mΩ que entrega hasta 1.1 A de corriente continua y 15.3 A de corriente de pico. Su capacidad total de almacenamiento de energía es de 293 mWh.

Con su combinación de capacidad, rendimiento y especificaciones físicas, los supercondensadores híbridos de Eaton son muy adecuados para proporcionar energía de impulso independiente para los enlaces inalámbricos en los contadores inteligentes o en paralelo con una batería. También son una buena opción para "pasar" por encima de la energía durante breves cortes o caídas de tensión en los procesos industriales y los controladores lógicos programables, evitando así el consiguiente y a menudo largo tiempo de inactividad que incluso un breve problema de energía puede causar. Del mismo modo, pueden dar soporte a las memorias caché volátiles, a los servidores y a los almacenes RAID multidisco en los centros de datos durante estas interrupciones de energía.

Conclusión:

Para los diseñadores de sistemas de IoT, los supercondensadores híbridos son una buena opción para el almacenamiento de energía y el suministro de energía debido a sus altas densidades de energía, sus largos ciclos de vida y su mayor tensión de trabajo. Construidos con estos supercondensadores híbridos, los diseños pueden requerir menos celdas y un menor volumen en comparación con los supercondensadores estándar, al tiempo que cumplen los requisitos de temperatura y vida útil mejor que las baterías por sí solas. Al eliminar las difíciles compensaciones y compromisos, estos componentes híbridos permiten a los ingenieros de diseño cumplir con mayor facilidad los exigentes objetivos de los proyectos.

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