[RAQ] Magazynowanie energii w superkondensatorach: Ile potrzeba aby wystarczyło?

Pytanie:

Czy mogę w prosty sposób obliczyć energię przy wyborze superkondensatora do systemu zasilania awaryjnego?

Odpowiedź:

Niestety, proste obliczenia energii nie wystarczą. Trzeba uwzględnić szczegóły wpływające na zasoby energii w systemie w zależności od stopnia zużycia superkondensatora.

Wprowadzenie

W systemach zasilania awaryjnego element magazynujący energię może stanowić znaczącą część całkowitego kosztu wszystkich elementów.  Często zajmuje też najwięcej miejsca na płytce. Kluczem do optymalizacji rozwiązania jest staranny dobór komponentów tak, aby uzyskać gwarantowane czasy podtrzymania zasilania, a jednocześnie uniknąć zbędnego komplikowania systemu. Oznacza to, że należy obliczyć pojemność energetyczną pozwalającą spełnić wymagania dotyczące czasu podtrzymania zasilania przez cały okres eksploatacji urządzenia, ale bez nadmiernego marginesu błędu.

W niniejszym artykule przedstawiono sposób doboru superkondensatora i kontrolera zasilania awaryjnego dla danego czasu podtrzymania energii oraz mocy. Weźmiemy pod uwagę zachowanie superkondensatorów w całym cyklu życia.

Superkondensatory

Kondensatory dwuwarstwowe (ang. electrostatic double-layer capacitors, w skrócie EDLC) nazywane najczęściej superkondensatorami to efektywne urządzenia magazynujące energię, wypełniające lukę między większymi i cięższymi systemami akumulatorowymi, a zwykłymi kondensatorami. Superkondensatory mogą pracować ze znacznie szybszymi cyklami ładowania i rozładowywania niż akumulatory. To sprawia, że są one lepsze do krótkotrwałego magazynowania energii w systemach zasilania rezerwowego o stosunkowo niskiej energii, przy krótkotrwałym ładowaniu, wyższych prądach szczytowych czy w systemach odzyskiwania energii (patrz tabela 1). Istnieją również systemy hybrydowe typu bateria-superkondensator, w których szybkość superkondensatorów i możliwość ich pracy z wysokimi prądami uzupełniają cechy czasochłonnych w ładowaniu, ale pojemniejszych akumulatorów.

Tabela 1. Porównanie ELDC i baterii litowo-jonowych

Cecha Superkondensatory Baterie Li-Ion
Czas ładowania/rozładowania od <1 s do >10 s 30 min do 600 min
Możliwość przeładowania Tak
Wydajność ładowania/rozładowania 85% do 98% 70% do 85%
Liczba cykli ładowania 100,000+ 500+
Min. i max. napięcie ogniwa (V) 0 do 2,3* 3 do 4,2
Gęstość energii (Wh/kg) 1 do 5 100 do 240
Gęstość mocy (W/kg) 10,000+ 1000 do 3000
Temperatura (°C) –40 do +45* 0 do +45*
Szybkość samoczynnego rozładowywania Wysoka Niska
Bezpieczeństwo eksploatacji Wysokie Niskie
*w której zostaje zachowana optymalna żywotność

Należy zauważyć, że wyższe temperatury i wyższe napięcia pracy w superkondensatorach skracają ich żywotność. Istotnym jest więc, aby upewnić się, że napięcia w układzie nie przekraczają wartości znamionowych i nie powodują przekraczania zalecanych temperatur oraz że parametry te pozostają na pożądanych poziomach roboczych w zastosowaniach, w których superkondensatory są ze sobą połączone lub gdy napięcie wejściowe nie jest stałe (patrz rysunek 1).

Rysunek 1. Przykład zbyt prostej konstrukcji skutkującej ryzykownym schematem ładowania superkondensatorów

Układy zarządzające zasilaniem superkondensatorów i zasilaniem awaryjnym

Przy użyciu elementów dyskretnych może być trudno zaprojektować niezawodne i wydajne rozwiązanie. Za to rozwiązania do ładowania superkondensatorów oraz zasilania awaryjnego w formie układów scalonych są łatwe w użyciu i zazwyczaj zapewniają większość lub nawet wszystkie z poniższej listy funkcji:

  • Dobrze stabilizowane napięcie na ogniwie niezależnie od zmian napięcia wejściowego.
  • Aktywne równoważenie napięcia poszczególnych połączonych superkondensatorów, co oznacza dopasowanie napięcia w każdych warunkach roboczych, niezależnie od niedopasowania między elementami.
  • Niskie straty przewodzenia i niski spadek napięcia łańcuchu superkondensatorów, co zapewnia systemowi uzyskanie maksymalnej ilości energii dla danego superkondensatora.
  • Ograniczenie prądu rozruchowego przy dołączaniu płytek do systemu podczas jego pracy.
  • Komunikacja z głównym kontrolerem systemu.

Wybór odpowiedniego rozwiązania

Analog Devices oferuje szeroką gamę zintegrowanych rozwiązań, które w jednym układzie scalonym zawierają wszystkie niezbędne funkcje spełniające wymagania systemu zasilania awaryjnego. W tabeli 2 podsumowano cechy niektórych układów ładowania superkondensatorów z portfolio ADI.

Tabela 2. Podsumowanie funkcji zintegrowanych rozwiązań do ładowania superkondensatorów

LTC3110 LTC4041 LTC3350 LTC3351 LTC3355
Zakres napięcia wejściowego (V) 1,8 – 5,25 2,9 – 5,5 (zabezpieczenie przed zbyt wysokim napięciem do 60 V) 4,5 do 35 4.5 do 35 3 do 20
Układ ładowarki buck-boost 2 A buck 2,5 A Kontroler buck 10+ A Kontroler buck 10+ A Buck 1 A
Liczba obsługiwanych elementów 2 1 do 2 1 do 4* 1 do 4* 1
Balansowanie elementów Tak Tak Tak Tak
Napięcie na superkondensatorach (VCAP (V)) 0.1 do 5.5 0.8 do 5.4 1.2 do 20 1.2 do 20 0.5 do 5
Przetwornica napięcia wyjściowego (VCAP → VOUT) buck-boost 2 A boost 2,5 A Kontroler buck 10+ A Kontroler buck 10+ A boost 5 A
Zakres napięcia wyjściowego VOUT (V) 1,8 – 5,25 2,7 – 5,5 4,5 – 35 4,5 – 35 2,7 – 5
Element mocy Wewnętrzny FET Zewnętrzny FET Zewnętrzny FET Zewnętrzny FET Oddzielna przetwornica boost
Ogranicznik prądu rozruchowego Tak
Monitorowanie systemów PWR fail, PG V, I, cap, ESR V, I, cap, ESR VIN, VOUT, VCAP
Obudowa 24-pinowa TSSOP, 24-pinowa QFN 24-pinowa QFN, 4 × 5 mm 38-pinowa QFN 5 × 7 mm 38-pinowa QFN 5 × 7 mm 20-pinowa QFN 4 mm × 4 mm
*Możliwa jest też konfiguracja dla więcej niż 4 kondensatorów

Zastosowanie układów

Dla systemów z zasilaniem 3,3 V lub 5 V warto wziąć pod uwagę układy:

  • LTC3110: dwukierunkowa przetwornica typu buck-boost o natężeniu do 2 A oraz ładowarka/balanser,
  • LTC4041: układ zarządzania zasilaniem awaryjnym oraz ładowarka superkondensatorów o natężeniu do 2,5 A.

W przypadku aplikacji z szynami zasilania 12 V lub 24 V oraz w przypadku zapotrzebowania na moc powyżej 10 W warto rozważyć:

  • LTC3350: wysokoprądowy kontroler zasilania zapasowego i ładowarka superkondensatorów oraz monitor systemu,
  • LTC3351: kontroler zasilania awaryjnego, ładowarka superkondensatorów i monitor systemu z możliwością dołączenia urządzenia w czasie pracy systemu (hot plug).

Jeśli twój system wymaga głównego stabilizatora typu buck dla szyny zasilania 3,3 V lub 5 V, a także wbudowanej przetwornicy podwyższającej napięcie (boost) do podtrzymania zasilania awaryjnego przy użyciu pojedynczego superkondensatora lub innego źródła energii warto rozważyć:

  • LTC3355: konwerter stałoprądowy na napięcie 20 V i prąd 1 A ze zintegrowanym układem ładowania superkondensatorów i stabilizatorem napięcia zasilania awaryjnego

Firma Analog Devices oferuje również wiele innych rozwiązań, których można użyć do ładowania pojedynczego superkondensatora, kondensatora elektrolitycznego, akumulatora litowo-jonowego lub akumulatora NiMH. Więcej rozwiązań dla superkondensatorów można znaleźć na stronie analog.com.

Aby uzyskać więcej informacji prosimy o kontakt z lokalnym inżynierem aplikacyjnym lub działem wsparcia.

Obliczanie czasu podtrzymania napięcia lub czasu zasilania awaryjnego

Podczas projektowania rozwiązania do podtrzymywania zasilania opartego o superkondensator, powinniśmy przeanalizować jak duża pojemność będzie wystarczająca. Aby ograniczyć zakres tej analizy, skupimy się na klasycznych przypadkach zasilania awaryjnego stosowanych w wysokiej klasy elektronice użytkowej, przenośnym sprzęcie przemysłowym, miernictwie energii i zastosowaniach wojskowych.

Dobrą analogią do tego zadania projektowego jest przypadek turysty, który chce określić, ile wody powinien zabrać na całodniową wędrówkę. Mniej wody z pewnością początkowo ułatwia podejście, ale może mu się ona skończyć zbyt szybko, szczególnie przy trudnym szlaku. Z drugiej strony turysta niosący dużą butelkę wody musi dźwigać dodatkowy ciężar, ale prawdopodobnie pozostanie nawodniony przez cały czas trwania wycieczki. Wędrowiec może również wziąć pod uwagę pogodę: więcej wody w upalny dzień, mniej w chłodny.

Dobór superkondensatora to bardzo podobny dylemat: czas podtrzymania zasilania i obciążenie są istotne, podobnie jak temperatura otoczenia. Ponadto należy wziąć pod uwagę degradację nominalnej pojemności w czasie i właściwą wartość zastępczej rezystancji szeregowej (ang. ESR) superkondensatora.

Degradacja parametrów w czasie

Definicje całkowitego zużycia (EOL – ang. end of life) superkondensatora są następujące:

  • Spadek określonej (początkowej) pojemności do 70% nominalnej,
  • Podwojenie się rezystancji zastępczej (ESR) w stosunku do wartości początkowej.

Te dwa parametry są kluczowe dla przedstawionych dalej obliczeń.

Aby określić wielkość komponentów zasilania, ważne jest, aby zrozumieć specyfikę obciążenia, którego zasilanie będziemy podtrzymywać. System może na przykład w przypadku awarii zasilania wyłączać obciążenia niekrytyczne, dzięki czemu energia będzie przesłana tylko do kluczowych obwodów, na przykład zapisujących dane z pamięci ulotnej do nieulotnej.

Awarie zasilania mają różne formy, ale generalnie podtrzymanie zasilania musi umożliwiać bezproblemowe zamknięcie systemu w przypadku trwałej awarii lub kontynuowanie działania w przypadku usterki przejściowej.

W obu przypadkach wartości komponentów należy określić na podstawie sumy obciążeń, które wymagają wsparcia podczas podtrzymania zasilania, a także czasu, przez który obciążenia te muszą być obsługiwane.

Ilość energii potrzebnej do podtrzymania zasilania systemu wynosi:

Energia zmagazynowana w kondensatorze:

Zdrowy rozsądek podpowiada, że energia zmagazynowana w kondensatorze musi być większa niż wymagana do podtrzymania zasilania:

To pozwala w przybliżeniu określić rozmiar kondensatora, ale nie jest wystarczające do stworzenia naprawdę solidnego systemu. Należy bowiem poznać kluczowe szczegóły, takie jak źródła strat energii, które ostatecznie przekładają się na większą wymaganą pojemność. Straty energii dzielą się na dwie kategorie: straty spowodowane wydajnością przetwornika DC/DC oraz straty samego kondensatora.

Straty energii w systemie

Sprawność przetwornika DC/DC musi być znana w warunkach, w których superkondensator zasila obciążenie podczas podtrzymywaania zasilania. Zależy ona od współczynnika wypełnienia w danych warunkach pracy układu i można ją odczytać z dokumentacji sterownika. Urządzenia wymienione w tabeli 2 we wcześniejszej części tekstu oferują szczytową wydajność w granicach od 85% do 95%. Zależy ona od prądu obciążenia i współczynnika wypełnienia sygnału sterującego przetwornicy podczas podtrzymywania zasilania.

Straty energii superkondensatora odpowiadają ilości energii, której nie możemy z niego wydobyć. Zależy ona od minimalnego napięcia wejściowego przetwornicy DC/DC, które z kolei jest uwarunkowane topologią konwertera napięcia i nazywane jest po angielsku dropout voltage. Jest to ważny parametr, który należy wziąć pod uwagę przy doborze rozwiązań zintegrowanych.

Biorąc pod uwagę wcześniejsze obliczenia energii kondensatora i odejmując energię niedostępną poniżej napięcia VDropout, otrzymujemy:

A co z napięciem VCapacitor? Wydaje się oczywiste, że ustawienie napięcia na superkondensatorze w pobliżu jego maksymalnej wartości zwiększyłoby zmagazynowaną energię, ale ta strategia ma poważne wady. Często superkondensatory mają bezwzględne maksymalne napięcie znamionowe 2,7 V, ale typowa stosowana wartość to 2,5 V lub nawet mniej. Wynika to z faktu, że niższe napięcie zapewnia zarówno przedłużenie czasu życia elementów, jak i zmniejszenie temperatury pracy układu (patrz rysunek 2). W związku z tym w zastosowaniach wymagających długiej żywotności lub pracy w stosunkowo wysokich temperaturach otoczenia, należy zastosować niższe napięcie. Poszczególni dostawcy superkondensatorów zwykle dostarczają krzywe charakterystyk dla szacowanej żywotności w oparciu o napięcie na zaciskach oraz temperaturę.

Rysunek 2. Diagram żywotności w zależności od napięcia na zaciskach dla różnych temperatur

O autorze

Markus Holtkamp ukończył Uniwersytet w Bochum w 1993 r. Dołączył do Linear Technology (obecnie część Analog Devices) w październiku 2010 r. jako inżynier aplikacyjny, oferując wsparcie techniczne klientom w Europie Środkowej. Markus ma 14 lat doświadczenia jako projektant układów scalonych dla sygnałów mieszanych oraz wysokiej prędkości w niemieckim biurze projektowym oraz 3,5 roku w Arrow Electronics jako inżynier aplikacji analogowych. Jest żonaty, ma dwoje dzieci i jest zapalonym sportowcem. Można się z nim skontaktować pisząc na adres markus.holtkamp@analog.com

Gabino Alonso jest obecnie dyrektorem ds. Marketingu w grupie Power by Linear™. Przed dołączeniem do ADI Gabino zajmował różne stanowiska w marketingu, inżynierii, działach operacyjnych i edukacji w Linear Technology, Texas Instruments i California Polytechnic State University. Posiada tytuł magistra inżyniera Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara. Można do niego pisać na adres gabino.alonso@analog.com