Energiespeicherung (ES) auf Systemebene

Haben Sie schon einmal auf eine Batterie in Ihrem Auto oder in einem tragbaren elektronischen Gerät gestarrt und sich gefragt, was es damit auf sich hat? Da die Elektrifizierung des Transportwesens die gesamte Elektronikindustrie schnell erfasst und vorantreibt, scheint es immer üblicher zu werden, dass sich nicht nur die Wirtschaft, sondern auch die hochmodernen Designs und sogar die gesamten Lieferketten (von der Rohstoffbeschaffung bis zum Recycling am Ende der Lebensdauer) vollständig um diese Geräte drehen. Da wir viele Milliarden winziger Systeme einsetzen, die gemeinhin als Internet of Things (IoT)/Industrielles IoT (IIoT) bezeichnet werden, ist die Möglichkeit, ganze drahtlose Sensornetzwerke (WSN) mit einem winzigen Kondensator zu betreiben, eine aufregende Aussicht, die mit dem apokalyptischen Szenario verknüpft ist, dass ca. 100 Mio. Batterien PRO TAG auf den Müllhalden der Welt landen.

Aber selbst wenn man sieht, dass Batterien in vielen kritischen Anwendungen und marktbestimmenden Anwendungsfällen die Hauptrolle spielen, kann es sein, dass man diese einfach aussehende DC-Quelle mit nur zwei Anschlüssen betrachtet und nur schwer begreift, was es mit dem ganzen Trubel um Batterien auf sich hat. Wie wir im Laufe dieses Artikels noch sehen werden, gibt es viele Gründe, warum man Batterien (und Energiespeicher oder ES insgesamt) niemals als selbstverständlich ansehen sollte. Der erste, offensichtliche Grund dafür ist, dass in der elektronischen Welt nichts ohne Strom läuft, so dass die Fähigkeit, Energie zu erzeugen und zu speichern, eine Notwendigkeit ist. Vielleicht war das bis zum letzten Jahrzehnt nicht so wichtig, aber die Sicherheit ist bei fast jeder Anwendung eine entscheidende Voraussetzung und kann daher eng mit der dichtesten Energiequelle im System verbunden sein. Noch weiter entfernt von den vielen Designüberlegungen ist die Strategie, Energiespeicher auf mehreren Ebenen zu nutzen, um die Systemgröße zu reduzieren, die Betriebszeiten zu maximieren und die Gesamteinsparungen bei der Infrastruktur (Investitions- und Betriebskosten oder CAPEX/OPEX) zu verringern.

Energiespeicher ist ein RIESIGES Thema, dem man in einem einzigen, kurzen Whitepaper nicht gerecht werden kann, auch wenn dieses Whitepaper einen soliden Überblick über die Grundlagen geben soll. Aber selbst wenn man sich nur auf die grundlegenden physikalischen Zusammenhänge konzentriert, ist das Netz sehr weit gespannt, um alle wichtigen Kategorien von der MEMS-Skala bis hin zur Energiespeicherung im großen Maßstab abzudecken. Energie kann in jeder Form, die uns die physikalische Welt bietet, gespeichert und umgewandelt werden (auch wenn dies nicht immer pragmatisch ist), sei es in Form von elektrochemischen Reaktionen (oder anderen Mitteln des elektrischen Potenzials), Wärme, Licht, Hochfrequenz (RF) oder potenzieller Energie/ Bewegung/ Elektrodynamik. Wikipedia definiert „Energiespeicherung“ [1] als „... die Aufnahme von Energie, die zu einem bestimmten Zeitpunkt erzeugt wurde, um sie zu einem späteren Zeitpunkt zu nutzen, um ein Ungleichgewicht zwischen Energiebedarf und Energieerzeugung zu verringern.“

Auch wenn sich dieses Whitepaper auf Energiespeicher-Lösungen auf Systemebene konzentriert, ist es sinnvoll, alle Formen von Energie als Erhaltungsmaßnahmen zu betrachten, die lediglich den Zustand übertragen/ändern, wobei typischerweise ein Teil in den Umwandlungs-/ Transferprozess fließt. Dies soll nicht wie eine ausgefallene Umschreibung des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik klingen, sondern vielmehr als inspirierendes Mantra dienen, das einen dazu antreibt, die ständige Optimierung von Energiespeichern und Verbrauch als übergreifendes und konstantes Ziel anzustreben.

Ein weiterer Bereich, in dem Energiespeicher im Vergleich zu den meisten anderen Aspekten des Systemfortschritts eher ein Ausreißer ist, ist die Geschwindigkeit, mit der signifikante, generationenübergreifende Verbesserungen der Energiedichte auftreten. Das Mooresche Gesetz sorgt dafür, dass die Logik in exponentiellem Tempo schrumpft und mikroelektromechanische Systeme (MEMS) schrumpfen und integrieren Sensoren so weit, dass sie für das bloße Auge fast unsichtbar sind. Leider verheißt diese Art der exponentiellen Verbesserung von einer Generation zur nächsten nichts Gutes für Energiespeicher-Lösungen. Energiespeicher wird direkt durch die Chemie und die Physik begrenzt, die dazu neigen, sich eher in einem Jahrzehnt als in einem Jahr zu verdoppeln. Im Allgemeinen besteht das Hauptziel bei der Implementierung und Opti-mierung einer Energiespeicher-Lösung darin, die Chemie bei Laune zu halten, aber wir werden später noch genauer darauf eingehen.

Wie bereits angedeutet, spielen Energiespeicher eine immer wichtigere Rolle bei der Entwicklung nachhaltiger Elektronik und im Kampf gegen den Klimawandel. Selbst wiederaufladbare Batterien enthalten in der Regel gefährliche Materialien und benötigen möglicherweise Seltene Erden, deren weltweites, lebenslanges Angebot die Nachfrage übersteigt (d.h. Recycling ist hier von entscheidender Bedeutung) und die viel Platz auf Mülldeponien verbrauchen können. Mit der exponentiellen Zunahme der nicht-gebundenen Anwendungen/Geräte werden auch alle damit verbundenen Energiespeicher zunehmen, was die hier zusammengefassten Herausforderungen für die Nachhaltigkeit vervielfacht. Eine offensichtliche Strategie zur Bewältigung dieses Problems ist der Versuch, die nicht wiederaufladbaren in wiederaufladbare Energiespeicher-Lösungen umzuwandeln, um einen Großteil der Ersatzbeschaffung abzumildern. Angesichts der zunehmenden Aufmerksamkeit für Nachhaltigkeitsthemen suchen selbst die sehr konservativen Branchen, die große Mengen an Energiespeicher (mit Redundanz) benötigen, nach Möglichkeiten, die Energiespeicher intelligenter zu nutzen, um die Betriebszeitziele zu erreichen und gleichzeitig die Gesamtinfrastruktur zu reduzieren.

Nun, da die Messlatte etwas höher gelegt wurde, wollen wir uns nun den allgegenwärtigen Formen der Energiespeicherung auf Systemebene zuwenden und überlegen, was sie sind, wie man mit ihnen umgeht und worauf man bei der Optimierung eines Systemdesigns achten sollte.

Eine Batterie ist ein elektrochemischer Kondensator, der Ladung auf den Platten unterschiedlicher Materialien speichert, indem er eine Quelle von Elektronen bereitstellt, die von der Kathode (+) zur Anode (-) wandern und so einen potenziellen Strom über die Pole erzeugen. Die unterschiedlichen Materialien bilden Halbzellenpotentiale, die zusammen das Batteriepotential (auch bekannt als Leerlaufspannung) ergeben. Die Kombination von so vielen verschiedenen Materialien ermöglicht ein so breites Spektrum an Batterien und anderen ES-Modalitäten.

Die Eigenschaften der Batterie hängen vollständig von der Chemie der Kathode, der Anode und des dielektrischen Materials ab. Nutzbare Energie wird durch eine so genannte „Redoxreaktion“ (kurz für Reduktion-Oxidation, die sich auf den Gewinn bzw. Verlust von Elektronen bezieht) erzeugt, bei der durch die freie Energie aus dem Elektronentransfer Energie freigesetzt wird. Jeder Aspekt des Designs, von der Chemie bis zur Geometrie des Geräts, wirkt sich auf die Energieleistung und die Nutzungsdauer aus.

Man kann Batterien auch als nasse oder trockene Zellen bezeichnen (oder „nasse/trockene Chemie“). Dies bezieht sich auf den physikalischen Zustand des dielektrischen Materials. Wenn es sich um eine Nasszelle handelt, ist das Dielektrikum bei Betriebstemperaturen in flüssiger Form. Nasszellen erfordern in der Regel eine vorsichtigere Handhabung, um sicherzustellen, dass der Elektrolyt nicht verschüttet wird oder ausläuft, und erfordern möglicherweise eine regelmäßige Wartung, wie dies bei Blei-Säure-Batterien der Fall ist, die Sie in einem Auto, einem Boot oder einer Photovoltaikanlage (PV) finden. Eine Trockenzelle verwendet einen Festkörperelektrolyten, in dem sich keine Flüssigkeit bewegt. Das macht sie anpassungsfähiger an einzigartige Geometrien und sicherer als ihre Gegenstücke, die Nasszellen. Im Allgemeinen liegt das daran, dass bei einer Trockenzelle die Wahrscheinlichkeit geringer ist, dass es zu einem Kurzschluss zwischen Kathode und Anode kommt oder dass im Falle eines katastrophalen Ausfalls heißer, giftiger Elektrolyt in das Gesicht eines Menschen fliegt. Es gibt einige hybride Optionen, wie die „Gel-Zelle“ oder halbfeste Elektrolyte (z.B. Polymer-Gel, das in Li-Polymer- oder Li-Po-Batterien verwendet wird), aber darauf einzugehen, würde den Rahmen dieses Artikels sprengen.

Die Chemie und der Typ des Kondensators oder der Batterie sind nicht nur für das elektrische Design und das Management eines Systems wichtig, sondern sie können auch der entscheidende Faktor für die gesamte Systemgeometrie sein. Die oben beschriebenen Eigenschaften können eine beliebige Anzahl von Formfaktoroptionen für Ihre Energiespeicher-Lösung bestimmen. Dies ist wahrscheinlich einer der am meisten verwirrenden Aspekte von Energiespeicher-Geräten, da Lösungen mit scheinbar sehr ähnlichen Leistungsmerkmalen (FOM) in Bezug auf Größe, Kosten und Leistung sehr unterschiedlich sein können. Einige Chemikalien eignen sich viel besser für Hochtemperaturumgebungen, die viele Ladezyklen erfordern, während andere besser für die Sicherheit oder für flexible, anpassungsfähige Strukturen geeignet sind. Sogar Geometrien können sich im Laufe der Zeit verändern, wie z.B. bei Lithium-Ionen-Akkus, die durch Ausgasung im Laufe der Zeit anschwellen können, wobei die Gasansammlung durch die Redoxreaktion entsteht.

Es kann sehr überraschend sein, wie geringfügige Änderungen bei einigen FOMs drastische Auswirkungen auf die Lebensdauer haben können, insbesondere bei der Betriebstemperatur und der Entladungsrate (neben vielen anderen, auf die wir etwas später eingehen werden). So hat beispielsweise die Gleichspannungsangabe auf einem Keramik-Vielschichtkondensator (MLCC) je nach Klasse und EIA-Code (Electronic Industries Alliance) eine sehr unterschiedliche Bedeutung. Während zwei verschiedene MLCCs für 0,47μF bei 16V mit einer Toleranz von +/-5% für den Betrieb von -55 bis 125°C ausgelegt sein können, hat derjenige mit der Bewertung X7R ca. 20% seiner Kapazität bei 12VDC, während derjenige mit der Bewertung C0G ca. 90% seiner Kapazität bei 12VDC hat. Dieser Unterschied kann über den Betriebstemperaturbereich genauso groß sein.

Bei der Bewertung von Energiespeicher-Optionen ist die Nutzung des Energiespeicher-Geräts über einen längeren Zeitraum hinweg ein wichtiger Aspekt. Wie ist die Betriebsumgebung (insbesondere die Temperatur)? Wie viele Ladezyklen kann es durchlaufen? Handelt es sich um eine Chemie, die besondere Anforderungen an das Laden und/oder Ausgleichen mehrerer Zellen in einem Akkupack stellt? Es gibt so viele Faktoren, die sich auf die USABLE (d.h. nicht bewertete) Kapazität und die Lebenszyklusleistung von Energiespeicher-Geräten auswirken und auch direkt mit der Sicherheit und der Fehlerbehandlung zusammenhängen.

Energiespeicher-Lösungen und DC/DC-Wandler gehen Hand in Hand. Ohne den Einsatz solcher Wandler kann man die Vorteile der vollen Kapazität, der optimalen Energieeffizienz und der maximalen Zuverlässigkeit nicht nutzen. Ein Wandler sollte nicht nur die Ausgangsspannung der Energiespeicher-Lösung stabilisieren, sondern auch leicht sein (insbesondere bei tragbaren Geräten) und einen großen Eingangsspannungsbereich unterstützen, um die maximale Energie aus der Batterie oder dem Kondensator zu nutzen. Ein hoher Wirkungsgrad des Konverters unterstützt all diese Ziele und stellt gleichzeitig sicher, dass der Konverter selbst nicht in erster Linie zum Energiebudget des Gesamtsystems beiträgt (über seine Umwandlungsverluste). Gute Beispiele für eine solche Lösung sind R-78B-2.0 und RPMB-2.0.

Wenn es um Energiespeicher-Systeme geht, hört man oft, dass sie entweder als Primär- oder als Sekundärspeicher klassifiziert werden. Diese Klassifizierung bezieht sich auf ihre Aufladefähigkeit. Ein Primärspeicher gilt als nicht wiederaufladbar, während ein Sekundärspeicher als wiederaufladbar gilt. Es ist üblich, diese Begriffe synonym zu verwenden (d.h. primär/nicht wiederaufladbar oder sekundär/wiederaufladbar).

Abgesehen von der offensichtlichen Eigenschaft der Wiederaufladbarkeit ist die Unterscheidung zwischen primären und sekundären Speichermedien für viele der oben genannten Betriebs- und Handhabungsparameter wichtig, auf die im folgenden Abschnitt noch näher eingegangen wird. Daher müssen sie in Bezug auf den technischen Betrieb und die Wirtschaftlichkeit unterschiedlich behandelt werden. So können beispielsweise die Wartungskosten für Sekundärzellen erheblich sein, aber sie müssen gegen die Kosten für den Ersatz von Primärzellen und die mögliche Unterbrechung des Betriebs abgewogen werden.

Primärzellen haben in der Regel eine höhere Energiedichte als ihre sekundären Gegenstücke, aber auch sie müssen ersetzt werden, wenn eine Einzellösung die Betriebsdauer des Systems/der Anwendung nicht abdecken kann. Eine Primärbatterie kann in einer bestimmten Anwendung als zuverlässiger angesehen werden, aber eine Sekundärbatterie kann verwendet werden, um den Spitzenstrombedarf zu reduzieren, wodurch die Belastung der anderen Komponenten verringert und die Zuverlässigkeit des Systems insgesamt verbessert wird.

Sekundärbatterien und sogar Kondensatorbatterien können besondere Anforderungen an die Ladezyklen stellen, um die Lebensdauer und Leistung zu maximieren. Das Laden kann eine sehr komplizierte Reihe von Steuerungen verschiedener Spannungs-/Stromkombinationen erfordern. Wenn mehrere Zellen beteiligt sind, kann es zusätzliche Anforderungen geben, um die Zellenladung für einen stabilen Betrieb und Zuverlässigkeit auszugleichen.

Ein Batteriemanagementsystem (BMS) kann für Systementwickler, die das Beste aus ihrem Energiespeicher herausholen möchten, von großem Vorteil sein. Ein BMS kann den erfolgreichen Betrieb der Batterie ermöglichen, ohne dass diese durch die in diesem White Paper beschriebenen Schaltkreise und speziellen Steuerungen belastet wird. Wenn Ihnen all diese Faktoren überwältigend erscheinen, dann ist die gute Nachricht, dass es viele Lösungen gibt, die helfen, das BMS zu einer schlüsselfertigen Lösung zu machen. Zahlreiche Halbleiterhersteller bieten BMS-ICs an oder integrieren die Funktionalität sogar zusammen mit anderen Energiemanagement-/Konvertierungsfunktionen. Angesichts der Risiken, die mit einem mangelhaften Energiespeicher-Management verbunden sind, und der Vorteile, die eine optimal verwaltete Lösung mit sich bringt, kann die Verwendung eines bekannten, geprüften BMS oder Ladelösung einen echten Unterschied ausmachen. Allein die Verringerung der Wartungskosten kann die zusätzlichen Kosten für eine externe Lösung mehr als rechtfertigen. Für kleine Systeme im IoT-Bereich gibt es komplette Stromversorgungsmodule, die als BMS für gängige Energiespeicher-Quellen wie Li-Ionen- oder Superkondensatoren dienen und Energy Harvesting-Quellen unterstützen.

RECOM hat einen Kunden, der unsere Produkte für den Zellenausgleich in einem Elektrobus verwendet. Die Zellen werden normal …