Strategie řízení energie pro telekomunikace a telematiku

Od budoucího digitálního světa si slibujeme větší pohodlí a bezpečnost. Avšak autonomní řízení vozidel, automatické rozpoznávání dopravních značek a situací, stejně jako mnoho dalších funkcí vyžaduje stále větší datové toky a přenosové rychlosti. Permanentní datové připojení je dnes již k dispozici a bude mít i nadále mimořádný význam při vývoji budoucích produktů jak v telekomunikacích, tak i v telematice. Zaručeno však může být jen tehdy, když má stabilní, bezpečné a nepřerušované elektrické napájení ze stávajících nebo nových elektrických sítí.

Většina aplikací nepřetržitého elektrického napájení (UPS) v telekomunikacích a telematice je v současnosti založena na využití baterií. Dnes se tato technologie z velké části používá i pro vyrovnávání špičkového zatížení. Baterie zde nabízejí výhody v podobě relativně vysoké hustoty energie, technologické vyspělosti a dlouholetých zkušeností s používáním. Architektury systémů jsou tedy navrženy speciálně tak, aby odpovídaly vlastnostem dostupného stavu baterií.

Superkondenzátory se již téměř 20 let úspěšně používají pro dorovnání špiček a jako řešení energetické zálohy v mnoha aplikacích, např. ve větrných elektrárnách, v základnách mobilních telefonů, v systémech průmyslových robotů a v řadě dalších elektronických zařízení a průmyslových strojů.

V posledních letech se začaly kvůli rostoucí potřebě četných velkoobjemových aplikací používat jako řešení akumulace energie. Takové řešení je z hlediska nákladů i výkonu také zajímavou alternativou při použití ve velkých i menších systémech UPS pro překlenutí výpadku napájení výpočetních center, nemocnic a špičkových technologických zařízení. Typické velikosti systému začínají na několika kW, ale pomocí modulárních řešení je lze snadno rozšířit na velké megawattové systémy. K tomuto účelu se jednotlivé superkondenzátorové buňky spojují do modulů nebo dokonce systémů.

Ideální pro dorovnání špiček a okamžité překlenutí výpadků napájení

Všechny tyto aplikace, bez ohledu na požadovanou třídu výkonu, vyžadují ihned elektrickou energii, aby buď zajistily požadovaný špičkový výkon, nebo překlenuly většinou velmi krátké výpadky, ke kterým v současnosti dochází. V případě delšího výpadku elektrického napájení jsou zařízení nebo systém uvedeny do bezpečného stavu (graceful powerdown). Doby špičkového výkonu a překlenutí výpadku napájení se obvykle pohybují od několika milisekund až po 20 sekund. Právě k těmto účelům se ideálně hodí superkondenzátory. Během několika sekund nebo zlomků sekundy umí superkondenzátory uvolnit a obnovit většinu své uložené energie, a to mnohokrát po sobě, aniž by došlo k jejich poškození. Pro takovéto použití je jejich životnost dimenzována na 10 let a více. Jsou zde ale i jiné výhody − snadná manipulace, nevyžadují údržbu ani servis, jsou snadno sledovatelné. Stav superkondenzátoru lze jednoduchým způsobem vyhodnotit a kontrolovat pomocí křivky napětí. Olověné baterie, v současnosti převládající způsob akumulace energie, mají krátkou životnost i za ideálních podmínek, přičemž občas dochází k neočekávaným výpadkům kvůli jejich elektrochemickému složení. Monitorování a vyhodnocení jejich stavu je mnohem náročnější a nákladnější, než je tomu u superkondenzátorů. Navíc je obtížná i jejich ekologická výroba.

Jinak je tomu u superkondenzátorů: Jejich vlastnosti určuje materiál elektrody na bázi aktivního uhlíku s extrémně velkou elektrickou povrchovou plochou, přičemž nezbytnou výměnu náboje zajišťuje elektrolyt, jímž jsou buňky impregnované.

Konstrukce superkondenzátorů

V závislosti na stavu nabití se na aktivním uhlíku (uhlíkové elektrodě) usazují ionty elektrolytu v odstupech v rozsahu nanometrů. Protože kapacita je přímo úměrná povrchové ploše a nepřímo úměrná vzdálenosti nábojů, mohou superkondenzátory uložit několiksetkrát více energie než běžné kondenzátory. Proces nabíjení a vybíjení probíhá elektrostatickým způsobem a bez chemických reakcí, ke kterým dochází u baterií. Superkondenzátory proto mohou uloženou energii ukládat a uvolňovat mnohem rychleji a bez degradace. Díky tomu jsou přímo předurčeny pro aplikace s vysokou potřebou výkonu a energie při velkém počtu cyklů.

Baterie zajišťují dostupnost velkého množství energie

Pokud je požadavkem dostupnost velkého množství energie, je první volbou zálohování bateriemi, navzdory známým slabinám a bez ohledu na to, jakou technologií baterií se realizuje. Stále více se však začíná používat kombinace baterií a superkondenzátorů. Je důležité si uvědomit, že tyto dvě technologie zálohování energie mají různé vlastnosti. Baterie ukládají a dodávají svou energii prostřednictvím redoxních reakcí (tj. Faradayovy zákony elektrolýzy nebo procesy přenosu hmoty), a tak udržují prakticky konstantní potenciál až do doby, než se spotřebuje reakční hmota. Naopak u superkondenzátorů se mění napětí s uloženým nábojem.

Baterie snů a superkondenzátor

Pro aplikace v telekomunikacích a telematice je výhodné přímo kombinovat oba způsoby paralelně. Jsou-li například jednotlivé lithiové články (~4 V) paralelně zapojeny pomocí dvou sériově zapojených superkondenzátorů (~ 2,5 V), potom superkondenzátor dodává velkou část špičkového výkonu potřebného během přenosu energie díky svému velmi nízkému vnitřnímu odporu. Lithium-iontová buňka naopak poskytuje veškerý rezervní a pohotovostní výkon. Kombinace vede k významnému zlepšení provozní doby. Podobné příklady lze nalézt v napájecích zdrojích telekomunikačních stanic. V případě poklesu napětí v napájecím vedení a výpadků trvajících od milisekund až po několik sekund potřebují lokálně akumulovanou energii.

Aktivní paralelní kombinace vyžaduje co nejvýkonnější procesor, obousměrný měnič DC/DC, který pohodlně zvládne velké kolísání napětí na vstupu a umožňuje okamžité obrácení výkonu bez ztráty regulace. Současné superkondenzátory nabízejí velmi nízký vnitřní odpor, a díky tomu mohou dosáhnout více než 90% účinnosti, která je požadována pro efektivní systém (superkondenzátor plus DC/DC měnič). Samozřejmě že je také potřeba zohlednit náklady. Při celkové analýze nákladů a zisku převažují výhody kombinovaného řešení. Testy životnosti ukázaly, že kombinace se superkondenzátory může výrazně prodloužit životnost bateriových akumulátorů a výrazně zvýšit dostupnost výkonu. Mnoho společností na celém světě se v současné době zaměřuje na příslušná kombinovaná řešení a vyvinulo navazující potřebnou výkonovou elektroniku.

Superkondenzátory a napájecí moduly na bázi superkondenzátorů švýcarské firmy SECH SA (www.sechsa.com) dodává německý distributor součástek společnost Rutronik (www.rutronik.com).