Use componentes híbridos que trazem os benefícios das baterias e supercapacitores para alimentar projetos IoT

Os projetistas de produtos para aplicações que vão desde pequenos nós de Internet das Coisas (IoT), rastreamento de ativos e medição inteligente, até os maiores, como energia de backup de equipamentos e relatórios de status, demandam cada vez mais uma fonte independente de energia recarregável. Normalmente, suas escolhas têm sido limitadas a uma bateria eletroquímica, geralmente baseada na química de íons de lítio (Li), ou um capacitor de camada elétrica dupla (EDLC), frequentemente chamado de supercapacitor ou supercap. O problema é que, seja usada sozinha ou em combinação, cada tecnologia apresenta certas limitações, exigindo que os desenvolvedores equilibrem as capacidades e limitações de cada uma de acordo com seus objetivos de projeto.

Esses objetivos, especificamente para aplicações de baixo consumo de energia e IoT Industrial (IIoT), normalmente incluem confiabilidade, longa vida operacional, eficiência, densidade de energia e facilidade de uso, levando a um projeto e processo de integração mais simples, menor tempo de desenvolvimento e menor custo de projeto. Embora seja perfeitamente viável usar íon-Li e EDLCs juntos para atingir esses objetivos, projetar e otimizar para as duas abordagens pode ser um esforço complexo. Uma abordagem integrada pode ser mais adequada.

Este artigo discute os requisitos dos projetos de energia de IoT e as tecnologias por trás das baterias eletroquímicas e EDLCs. Em seguida, introduz uma abordagem alternativa na forma de componentes híbridos de armazenamento de energia que combinam os atributos das baterias e dos EDLCs em um único pacote. O artigo apresentará exemplos de dispositivos da Eaton — Divisão de Eletrônica e discutirá suas características e aplicações.

Os sistemas IoT exigem baixa potência e longa vida operacional

Nos últimos anos, houve um tremendo crescimento em aplicações de baixo consumo de energia e de baixo ciclo de trabalho que podem operar a partir de fontes de alimentação relativamente pequenas. Embora os circuitos nesses dispositivos tenham correntes operacionais no modo ativo que variam de miliamperes a amperes, eles frequentemente apresentam operação prolongada em modos de hibernação que normalmente necessitam apenas de microamperes. O uso nesses dispositivos de tecnologias sem fio de baixo consumo de energia, baixo custo e de baixo ciclo de trabalho, como LoRaWAN ou Bluetooth de baixa energia (BLE), também ajuda a minimizar o consumo de energia.

Para essas condições de operação, os projetistas normalmente consideraram duas tecnologias de armazenamento de energia: alguma variante da bateria de íon-Li ou um supercapacitor. Cada uma delas apresenta prós e contras na capacidade e densidade de energia, ciclos de vida útil, tensão no terminal, auto-descarga, faixa de temperatura de operação, desempenho em taxas de descarga baixas e altas e outros fatores.

Principais diferenças nas tecnologias de armazenamento

Em resumo, seja ela uma célula primária (não recarregável) ou secundária (recarregável), uma bateria é baseada em princípios eletroquímicos. Uma bateria à base de lítio contém um ânodo de grafite e um catodo de óxido de metal, com um eletrólito interposto que normalmente é líquido, mas que pode ser sólido em algumas implementações. A vida útil das células recarregáveis é limitada normalmente a vários milhares de ciclos de carga/descarga, devido a várias formas de degradação interna.

Além disso, as baterias exigem um gerenciamento sofisticado de células e de pacotes de baterias para maximizar a vida operacional, ao mesmo tempo em que evitam problemas como sobrecarga, fuga térmica ou outras condições de falha que podem resultar em baixo desempenho, destruição de células ou até mesmo incêndio. Para os projetistas, o perfil de descarga relativamente plano dessas baterias simplifica a implementação do circuito (figura 1).

Figura 1: o perfil do ciclo de descarga de uma célula típica de íon-Li mostra uma tensão de saída praticamente constante até que a célula esteja próxima da descarga total. (Fonte da imagem: Eaton — Divisão de Eletrônica)

Em contraste, os EDLCs armazenam energia utilizando um processo físico em vez de uma reação química. Esses dispositivos são simétricos com eletrodos de carbono ativado, tanto no lado do ânodo quanto no lado do catodo. Suas cargas e descargas são processos eletrostáticos sem reação química, e seu ciclo de vida é praticamente ilimitado. Em contraste com as baterias, sua tensão no terminal cai linearmente em função da energia fornecida (figura 2).

Figura 2: ao contrário de uma célula de íon-Li, a tensão de saída de um supercapacitor diminui constantemente à medida que ele entrega a carga armazenada. (Fonte da imagem: Eaton — Divisão de Eletrônica)

A tecnologia EDLC é um desenvolvimento relativamente novo no mundo dos componentes passivos. Mesmo nos anos 1950 e 1960, a sabedoria convencional era que um capacitor de até mesmo um farad seria do tamanho de uma sala. Em vez disso, a pesquisa em materiais e tecnologias de superfície levou a novas estruturas e técnicas de fabricação e, finalmente, ao que foi chamado de supercapacitor, fornecendo dezenas e até centenas de farads em um pacote de tamanho comparável a outros componentes passivos básicos.

As opções de topologia têm prós e contras

Como resultado do projeto básico e das diferenças de desempenho entre baterias e EDLCs, os projetistas devem decidir se devem usar apenas um dispositivo de armazenamento de energia ou combinar ambos. Se eles escolherem usar uma combinação, devem então decidir entre várias topologias, cada uma com seus respectivos prós e contras e implicações no que diz respeito ao desempenho (figura 3).

Figura 3: os projetistas podem combinar um supercapacitor e uma bateria em três topologias comuns: (de cima) em paralelo, como unidades independentes, ou combinadas por um controlador/regulador. (Fonte da imagem: Eaton — Divisão de Eletrônica)

• A abordagem paralela é a mais simples, mas o uso do supercapacitor não é ideal, e sua tensão de saída está diretamente ligada à tensão da bateria.
• Usar uma bateria e um supercapacitor como unidades independentes funciona melhor quando há uma carga de base não crítica e uma carga crítica separada, fornecendo assim energia independente para cada uma. Mas essa abordagem não oferece o benefício de nenhum tipo de sinergia entre as unidades separadas.
• O arranjo inteligente combina as capacidades de cada fonte de energia e maximiza tanto o tempo de funcionamento quanto o tempo de ciclo de vida, mas requer componentes de gerenciamento adicionais, tais como um controlador e regulação CC-CC entre as duas fontes e a carga. Essa topologia é mais comumente usada com unidades de energia relacionadas ao transporte.

Ao utilizar topologias como essas, a escolha de uma bateria e de um supercapacitor não é uma decisão "uma coisa ou outra". Os projetistas podem optar por usar ambos, mas usar uma bateria e um supercapacitor em combinação exige que o projetista enfrente o desafio de encontrar o equilíbrio ideal entre as diferentes características de cada um.

A boa notícia é que, devido a um componente inovador, não há necessidade de enfrentar um dilema "e/ou" ao escolher entre usar baterias, supercapacitores ou ambos. Uma família de componentes híbridos de armazenamento de energia da Eaton — Divisão de Eletrônica, combina os atributos de ambos em um único pacote, eliminando a necessidade de concessões.

O caso dos supercaps híbridos

Os supercapacitores híbridos combinam as estruturas subjacentes tanto das baterias quanto dos supercapacitores em uma única unidade física. Esses componentes híbridos não são apenas uma simples embalagem de um par de bateria e supercapacitor distintos em um invólucro comum. Ao invés disso, são fontes de energia que combinam a química de uma bateria com a física de um supercapacitor em uma única estrutura. Como resultado, esses dispositivos híbridos superam as deficiências separadas das baterias e dos supercaps, ao mesmo tempo em que proporcionam benefícios claros para o desenvolvedor ao satisfazer os requisitos de projeto.

Os supercapacitores híbridos são dispositivos assimétricos que compreendem um ânodo de grafite dopado com lítio e um catodo de carbono ativado. Embora o movimento de carga seja feito principalmente por via eletroquímica, está a uma profundidade significativamente menor em comparação com a bateria de íon-Li.

Entre outros atributos, essa combinação de tecnologias resulta em uma contagem de ciclo de vida muito alta (um mínimo de 500.000 ciclos é típico) e em uma resposta muito rápida a altas taxas de descarga (figura 4).

Figura 4: o supercapacitor híbrido supera o ciclo de carga/descarga e as limitações de taxas de uma bateria, entre suas outras virtudes. (Fonte da imagem: Eaton — Divisão de Eletrônica)

Como um benefício adicional, não são utilizados óxidos metálicos e, portanto, esses supercaps híbridos não representam qualquer risco de incêndio ou de fuga térmica. As características de saída versus nível de carga também são compatíveis com as necessidades dos sistemas de baixa tensão e baixa potência (figura 5).

Figura 5: o perfil de descarga de saída do supercapacitor híbrido fica entre o de uma bateria e o de um supercapacitor padrão. (Fonte da imagem: Eaton — Divisão de Eletrônica)

Como em todos os componentes e abordagens de projeto, cada solução de armazenamento de energia oferece prós e contras em desempenho e recursos. A tabela 1 mostra os atributos positivos ("+") e negativos ("-") desses em relação aos outros, para casos típicos.

Tabela 1: uma comparação das características típicas de uma bateria, um supercapacitor e um supercapacitor híbrido mostra que o híbrido combina o melhor de ambos. (Fonte da tabela: o autor, usando dados da Eaton — Divisão de Eletrônica)

Engenheiros experientes sabem que nenhuma abordagem é perfeita, e muitas vezes um único atributo positivo de uma das soluções disponíveis é tão vital que se sobrepõe a qualquer outra abordagem. Portanto, os requisitos do sistema ditarão a solução final.

Os supercapacitores híbridos expandem a faixa de farad/capacidade de energia

Ao contrário de alguns componentes especializados que oferecem apenas um número limitado de especificações, esses supercapacitores híbridos estão disponíveis cobrindo uma faixa de desempenho bastante ampla. Por exemplo, na extremidade inferior da faixa está o HS1016-3R8306-R, uma unidade de 30 F da Série HS da Eaton de células supercapacitoras híbridas cilíndricas, medindo 18 mm de comprimento com um diâmetro de 10,5 mm (figura 6).

Figura 6: a HS1016-3R8306-R da Eaton é uma unidade de 30 F da Série HS de células supercapacitoras híbridas cilíndricas. (Fonte da imagem: Eaton — Divisão de Eletrônica)

A HS1016-3R8306-R tem uma tensão de operação de 3,8 volts, e sua especificação crítica de resistência equivalente em série (ESR) inicial é de apenas 550 mΩ, resultando em uma densidade de energia razoavelmente alta — até oito vezes maior que a de um supercapacitor padrão. Ela pode fornecer 0,15 A de corrente contínua (até no máximo 2,7 A) e tem uma classificação de capacidade de armazenamento de energia de 40 mWh. Como todos os membros da série HS, é reconhecida pela UL, simplificando muito o processo geral de aprovação do produto.

Para um supercap híbrido de maior capacidade da mesma família, o HS1625-3R8227-R é um dispositivo cilíndrico de 220 F medindo 27 mm de comprimento por 16,5 mm de diâmetro, com uma ESR de 100 mΩ fornecendo até 1,1 A contínuo e 15,3 A de pico de corrente. Sua capacidade total de armazenamento de energia é de 293 mWh.

Com sua combinação de capacidade, desempenho e especificações físicas, os supercapacitores híbridos da Eaton são bem adequados para fornecer pulso de energia autônomo para conexões sem fio em medidores inteligentes ou em paralelo com uma bateria. Eles também são uma boa opção de "passagem" de energia durante breves interrupções ou apagões nos processos industriais e controladores lógicos programáveis, evitando assim o tempo de parada resultante, muitas vezes longo, que até mesmo um breve problema de energia pode causar. Da mesma forma, eles podem alimentar memória cache volátil, servidores e armazenamento RAID multidisco em data centers durante tais interrupções de energia.

Conclusão

Para os projetistas de sistemas IoT, os supercapacitores híbridos são uma boa opção para armazenamento e fornecimento de energia devido suas altas densidades de energia, longo ciclo de vida útil e maior tensão de trabalho. Construídos com esses supercapacitores híbridos, os projetos podem demandar menos células e um volume menor em comparação com os supercapacitores padrão, ao mesmo tempo em que atendem melhor às exigências de temperatura e vida útil do que ao usar apenas baterias. Ao eliminar os difíceis prós e contras e as concessões, esses componentes híbridos permitem que os engenheiros satisfaçam mais facilmente os objetivos desafiadores do projeto.

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