ハイブリッドを用いてバッテリとスーパーキャパシタ両方の利点をIoT設計の電源に提供

さまざまなアプリケーションの製品設計者は、モノのインターネット（IoT）ノード、アセットトラッキング、スマートメータなどの小規模なものから、装置のバックアップ電源やステータスレポートなどの大規模なものまで、独立した充電式電源をますます必要としています。一般的な選択肢は、通常リチウム（Li）イオンの化学的性質に基づく電気化学電池か、しばしばスーパーキャパシタまたはスーパーキャップと呼ばれる電気二重層コンデンサ（EDLC）のどちらかに限られていました。問題は、単独または組み合わせて使用した場合、それぞれの技術には一定の限界があり、開発者が設計目標に照らし合わせてそれぞれの技術の機能と限界のバランスを取る必要があることです。

特に低電力IoTや産業用IoT（IIoT）アプリケーションの場合、それらの目標には一般的に、信頼性、長い動作寿命、効率性、エネルギー密度、および使いやすさが含まれ、設計および統合プロセスの簡素化、開発時間の短縮、およびプロジェクト費用の削減につながります。LiイオンとEDLCの両方を使用してこれらの目標を達成することは完全に実行可能ですが、両方のアプローチに対する設計と最適化は複雑な試みになります。統合的なアプローチがより適しているかもしれません。

この記事では、IoT電源設計の要件と、電気化学電池やEDLCを支える技術について説明します。次に、電池とEDLCの特性を1つのパッケージにまとめたハイブリッドエネルギー蓄積コンポーネントという別のアプローチを紹介します。この記事では、Eatonのエレクトロニクス部門が提供するデバイス例を紹介し、それらの特性と用途について説明します。

低電力と長い動作寿命が要求されるIoTシステム

ここ数年、比較的小さな電源で動作可能な低電力、低デューティサイクルのアプリケーションが非常に増えてきました。このようなデバイスの回路は数ミリアンペアから数アンペアまでの範囲のアクティブモードの動作電流を持っていますが、通常は数マイクロアンペアしか必要としないディープスリープモードでの長時間動作を特徴としています。また、これらのデバイスには、LoRaWANやBluetooth Low Energy（BLE）といった低電力、低レート、低デューティサイクルの無線技術が使用されており、消費電力の最小化に貢献しています。

これらの動作条件において、設計者は一般的に、Liイオン電池またはスーパーキャパシタという2種類のエネルギー蓄積技術を検討してきました。それぞれの技術は、エネルギー容量および密度、寿命サイクル、端子電圧、自己放電、動作温度範囲、低/高放電率での性能、およびその他の要素において、トレードオフを提供します。

ストレージ技術の主な違い

簡単に言えば、一次電池（非充電式）であれ二次電池（充電式）であれ、電池は電気化学の原理に基づいています。リチウムベースの電池には、黒鉛陽極と金属酸化物の陰極があり、通常は液体であるものの一部の実装では固体となる電解質が介在しています。充電式電池の寿命は通常、さまざまな形態の内部劣化により、数千回の充放電サイクルに制限されています。

加えて、動作寿命を最大限に延ばしながら、過充電や熱暴走などの問題、性能低下やセル破壊、さらには発火に至る可能性のあるその他の故障状態を防ぐために、電池ではセルと電池パックの高度な管理が必要です。設計者にとっては、このような電池の放電プロファイルが比較的フラットであるため、回路の実装が簡素化されます（図1）。

図1：一般的なLiイオン電池の放電サイクルプロファイルは、完全放電に近い状態までほぼ一定の出力電圧を示します。（画像提供：Eatonのエレクトロニクス部門）

一方、EDLCは化学反応ではなく、物理的なプロセスでエネルギーを蓄えます。これらのデバイスは、陽極側と陰極側の両方に活性炭電極を備えた対称型です。その充放電は化学反応を伴わない静電プロセスであり、サイクル寿命は実質的に無限です。電池とは異なり、端子電圧は提供されたエネルギーに応じて直線的に低下します（図2）。

図2：Liイオン電池とは異なり、スーパーキャパシタの出力電圧は、蓄積電荷を放出するにつれて右肩下がりに低下します。（画像提供：Eatonのエレクトロニクス部門）

EDLC技術は、受動部品の世界では比較的新しく開発されたものです。1950年代から1960年代にかけては、わずか1ファラドのコンデンサでも1部屋の大きさがあるいうのが常識でした。その代わりに、材料や表面技術の研究によって新しい構造や製造技術が開発され、最終的には他の基本的な受動部品と同程度の大きさのパッケージで数十および数百ファラドを提供するスーパーキャパシタと呼ばれるものが登場しました。

トレードオフの関係にあるトポロジの選択肢

電池とEDLCは基本的な設計や性能が異なるため、設計者はどちらか一方のエネルギー蓄積デバイスを使用するか、両方を組み合わせるかを決めなければなりません。組み合わせて使用することを選択した場合は、さまざまなトポロジの中から、それぞれのトレードオフや性能への影響を考慮して決定する必要があります（図3）。

図3：設計者は、スーパーキャパシタと電池を次の3つの一般的なトポロジで組み合わせることができます。（上から順に）並列、独立ユニット、コントローラ/レギュレータを介した組み合わせ。（画像提供：Eatonのエレクトロニクス部門）

• 並列アプローチは最もシンプルですが、スーパーキャパシタの使用は最適でなく、その出力電圧が電池電圧に直結します。
• 電池とスーパーキャパシタを独立ユニットとして使用することは、非クリティカルなベース負荷と別のクリティカルな負荷がある場合に、それぞれに独立した電力を供給できるため最適です。ただし、このアプローチでは、別々のユニット間の相乗効果のような利点は得られません。
• スマートな配置では、各エネルギー源の機能を組み合わせ、ランタイムとサイクル寿命の両方を最大化しますが、2つのエネルギー源と負荷の間にコントローラやDC/DC安定化などの管理コンポーネントを追加する必要があります。このトポロジは、輸送関連の電源ユニットで最も一般的に使用されています。

このようなトポロジを使用する場合、電池とスーパーキャパシタの選択は「どちらか一方」に決めることではありません。設計者は両方を併用することも可能ですが、電池とスーパーキャパシタを組み合わせる場合には、それぞれの異なる特性の最適なバランスを見極めるという課題に対処する必要があります。

朗報として、革新的な部品のおかげで、電池、スーパーキャパシタ、またはその両方を使用するかを選択する際に、「両方またはいずれか一方」のジレンマに直面する必要はありません。Eatonのエレクトロニクス部門が提供するハイブリッドエネルギー蓄積コンポーネントのファミリは、両方の特性を単一のパッケージで組み合わせており、妥協する必要性を排除しています。

ハイブリッドスーパーキャパシタの事例

ハイブリッドスーパーキャパシタは、電池とスーパーキャパシタの基礎構造を1つの物理ユニットにまとめたものです。このようなハイブリッドコンポーネントは、個別の電池とスーパーキャパシタのペアを共通のハウジングに収めただけのものではありません。その代わりに、電池の化学的性質とスーパーキャパシタの物理的性質を一つの構造体に融合させたエネルギー源です。その結果、これらのハイブリッドデバイスは、電池とスーパーキャパシタそれぞれの欠点を克服するとともに、設計要件を満たすという明確な利点を開発者にもたらします。

ハイブリッドスーパーキャパシタは、Liドープ黒鉛陽極と活性炭陰極からなる非対称型のデバイスです。電荷移動は主に電気化学的に行われますが、その深さはLiイオン電池に比べて格段に低いものです。

このような技術の組み合わせにより、非常に高いサイクル寿命（最低50万サイクルが一般的）と、高い放電率に対する非常に速い応答性を特に実現しています（図4）。

図4：ハイブリッドスーパーキャパシタには、電池の充放電サイクルや速度の制限を克服するなど、さまざまな利点があります。（画像提供：Eatonのエレクトロニクス部門）

付加的な利点として、金属酸化物を使用していないため、これらのハイブリッドスーパーキャパシタには火災や熱暴走の危険性がありません。また、充電レベルに対する出力特性は、低電圧/低電力システムのニーズに対応しています（図5）。

図5：ハイブリッドスーパーキャパシタの出力放電プロファイルは、電池と標準的なスーパーキャパシタの中間的なものです。（画像提供：Eatonのエレクトロニクス部門）

あらゆるコンポーネントや設計アプローチと同様に、エネルギー蓄積ソリューションはそれぞれ、性能や機能においてトレードオフを提供します。表1は、一般的なケースについて、互いに関連したこれらのプラス属性（「＋」）とマイナス属性（「-」）を示しています。

表1：電池、スーパーキャパシタ、ハイブリッドスーパーキャパシタの代表的な特性の比較は、ハイブリッドが両方の長所を兼ね備えていることを示しています。（表提供：Eatonのエレクトロニクス部門のデータをもとに著者が作成）

経験豊富な技術者は、完璧な1つのアプローチなど存在しないことや、利用可能なソリューションの優れた1つの特性が極めて重要であるために、他のどのアプローチよりも優先される場合が多いことを知っています。したがって、システム要件が最終的なソリューションを決定付けます。

ファラド/エネルギー容量の範囲を広げるハイブリッドスーパーキャパシタ

これらのハイブリッドスーパーキャパシタは、仕様が限られた一部の特殊部品とは異なり、幅広い性能範囲をカバーします。たとえば、この範囲の下限には、Eatonが提供するHSシリーズ 円筒型ハイブリッドスーパーキャパシタセルの30FユニットであるHS1016-3R8306-Rがあり、その寸法は長さ18mm、直径10.5mmです（図6）。

図6：EatonのHS1016-3R8306-Rは、HSシリーズ 円筒形ハイブリッドスーパーキャパシタセルの30Fユニットです。（画像提供：Eatonのエレクトロニクス部門）

HS1016-3R8306-Rは、動作電圧が3.8Vで、初期ESRの重要な仕様が550mΩと低いため、標準的なスーパーキャパシタの8倍もの高い電力密度を実現しています。提供可能な連続電流は0.15A（最大2.7A）で、蓄積エネルギー容量定格は40mWhです。他のHSシリーズ製品と同様にUL認定済みのため、製品の承認プロセス全体が大幅に簡素化されます。

同ファミリの大容量ハイブリッドスーパーキャパシタとしては、長さ27mm、直径16.5mm、ESR 100mΩの円筒形220FデバイスであるHS1625-3R8227-Rがあり、最大1.1Aの連続電流と15.3Aのピーク電流を供給することができます。総エネルギー蓄積容量は293mWhです。

容量、性能、物理的仕様の組み合わせが可能なEatonのハイブリッドスーパーキャパシタは、スマートメータ内でワイヤレスリンク用の独立したパルス電力を提供したり、電池と並行して使用したりするのに適しています。また、産業用のプロセスコントローラやプログラマブルロジックコントローラの短時間の停電やブラウンアウト時の「ライドスルー」電源としても適しており、短時間の電源トラブルでも発生する可能性がある長時間のダウンタイムを回避できます。同様に、そのような停電時にも、データセンターの揮発性キャッシュメモリ、サーバ、マルチディスクRAIDストレージをサポートすることができます。

結論

IoTシステムの設計者にとって、エネルギー密度が高く、サイクル寿命が長く、動作電圧が高いハイブリッドスーパーキャパシタは、エネルギー蓄積と電力供給のための優れた選択肢です。このようなハイブリッドスーパーキャパシタで構築された設計は、標準的なスーパーキャパシタと比較して、より少ないセル数とより小さな容積で済みます。さらに、電池のみの場合よりも、温度や寿命の要件を適切に満たすことができます。これらのハイブリッドコンポーネントは、難しいトレードオフや妥協を排除することで、困難なプロジェクト目標をより簡単に達成できるようにします。

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