Akut ovat olennainen osa monia teknologiatuotteita. Insinöörien on kuitenkin oltava varovaisia niiden määrittämisessä ja valinnassa sekä minimoidakseen niiden ympäristövaikutukset että parantaakseen järjestelmien suunnittelua vähentämällä virrankulutusta ja pidentämällä akun käyttöikää.

Luotamme monissa olennaisissa vihreissä teknologioissa kuten sähköajoneuvoissa sekä aurinko- ja tuulivoimaloiden infrastruktuurissa yhteen olennaiseen osaan: akkuihin. Akuilla on kuitenkin hintansa maapallon kannalta, koska niiden tarvitsemat raaka-aineet on aina louhittava.

Vaihtoehtoisia varastointimenetelmiä, kuten tehokkaampia puolijohdeakkuja ja painovoima-akkuja, kehitetään koko ajan. Mutta toistaiseksi monet sovellukset luottavat litiumakkuihin. Erityisesti tämä pätee sähköautoihin.

Miten voisimme vähentää akkujen käytön ympäristövaikutuksia? Huolellisen suunnittelun ja komponenttien valinnan avulla voimme varmistaa, että järjestelmämme saavat kaiken irti käyttämistään akuista sekä vähentämällä virrankulutusta että optimoimalla järjestelmien tehosuunnittelua. Tämä antaa meille mahdollisuuden käyttää pienempiä akkukokoja, pidentää akun käyttöikää ja tarjota parempaa suorituskykyä loppukäyttäjälle samalla kun vähennämme ympäristövaikutuksia.

Tässä artikkelissa tutkimme joitakin käytettävissä olevia vaihtoehtoja. Ne voivat auttaa insinöörejä kehittämään erittäin optimoituja suunnitteluja, jotka maksimoivat akkujen toimintatehokkuuden ja käyttöiän.

Kehitystyökaluja akuille

Akun valinta saattaa tuntua suhteellisen yksinkertaiselta tehtävältä: Insinöörit yksinkertaisesti laskevat suunnitteluun tarvittavan tehon ja valitsevat parhaan komponentin, joka tasapainottaa kokoa, painoa, hintaa ja energiakapasiteettia.

Insinöörit voivat kuitenkin käyttää kehitystyökaluja helpottaakseen tätä tehtävää ja saadakseen parhaan hyödyn määrittämistään akuista. Kehitystyökalujen avulla insinöörit voivat parantaa loppuratkaisun suorituskykyä lisäämättä akun kokoa tai vaatimatta liiallista uudelleensuunnittelua.

Työkalujen avulla suunnittelijat voivat myös vähentää kokonaisvirrankulutusta todellisen komponenttien kulutusanalyysin avulla, mikä pidentää akun kokonaiskestoa ja vähentää virrankulutusta.

Yksi tällainen työkalu on Nordic Semiconductorin Power Profiler Kit II (PPK2, kuva 1). PPK2 tarjoaa laitteisto- ja ohjelmistosuunnittelijoille yksinkertaisen menetelmän sulautettujen järjestelmien keskimääräisen ja dynaamisen virrankulutuksen mittaamiseen, mikä mahdollistaa ratkaisun virrankäytön virheenkorjauksen.

Kuva 1: Nordic Semiconductor Power Profiler Kit II eli PPK2 (Lähde: Mouser Electronics).

PPK2:ssa on korkea dynaaminen tuloalue, joka mahdollistaa tarkat virrankulutuksen mittaukset kaikissa tyypillisissä sulautetuissa sovelluksissa. Se kattaa alueen 200 nA - 1 A. Se voi mitata matalia sleep-tilavirtoja, suurempia aktiivisia virtoja ja lyhyitä virtapiikkejä.

PPK2:ssa on myös kahdeksan digitaalista tuloa, joita voidaan käyttää perusmittausten logiikka-analysaattorina. Tämä helpottaa virrankulutuksen yhdistämistä suoritettaviin koodilohkoihin. PPK2 voidaan liittää mihin tahansa Nordic Semiconductorin kehityssarjaan tai mukautettuun korttiin erillisenä yksikkönä ilman lisäliitäntäosia tai virheenkorjauslaitteita.

Toinen esimerkki akkukehitystyökalusta on Qoitechin Otii Arc Pro Energy Optimization Tool. Se sisältää sekä laitteiston että ohjelmiston, jotta suunnittelijat saavat kaiken irti akuista.

Otii Arc Pro yhdistää samaan ratkaisuun tehoprofiloijan, DC-energia-analysaattorin, virtalähteen, digitaalisen yleismittarin, virtalähteen mittausyksikön ja debuggerin. Se voi mitata tarkasti jännitettä ja virtaa ja laskea tehon ja energian sekä synkronoida ohjelmiston lähdön kanssa. Tämän avulla insinöörit ja kehittäjät voivat helposti nähdä, mikä kuluttaa heidän testattavien laitteidensa energiaa, jolloin he voivat optimoida akun käyttöiän.

Otii Arc Pro antaa suunnittelijoille mahdollisuuden sovittaa akkuvalintansa järjestelmänsä vaatimuksiin. Vaikka akun datalehdet tarjoavat perustietoja tyypillisestä kapasiteetista, akkujen todellinen käyttäytyminen on monimutkaisempaa – vaihtelut perustuvat esimerkiksi siihen, miten kuorma kuluttaa virtaa ja mikä on käyttölämpötila. Esimerkiksi korkeat virtahuiput lyhentävät nappipariston käyttöikää nopeammin kuin jatkuva, pienempi virrankulutus. Tämä tarkoittaa, että kondensaattorin lisääminen rinnakkain voisi olla hyödyllinen taktiikka pidentää ikää.

Qoitechin testaus on osoittanut, että optimoinnin puute jättää keskimäärin 30-50 prosenttia akun kapasiteetista käyttämättä. Kun vähintään 15 miljardia akkua heitetään pois vuosittain, tämän hukkaan heitetyn kapasiteetin vähentämisellä olisi merkittävät ympäristövaikutukset.

Tehonsäästäteknologiat

Sen lisäksi, että suunnittelijat optimoivat itse akun valinnan, heidän on suunniteltava järjestelmänsä niin, että ne käyttävät mahdollisimman vähän virtaa. Tehokkuutta parantamalla ja virrankulutusta vähentämällä he voivat vähentää järjestelmän akulle asetettuja vaatimuksia, mikä mahdollistaa pienempien, kevyempien akkujen käytön ja alentaa kokonaiskustannuksia.

On olemassa useita teknologioita ja materiaaleja, jotka voivat auttaa saavuttamaan tämän alhaisemman virrankulutuksen tavoitteen. Yksi tärkeimmistä on piikarbidi eli SiC, jota voidaan käyttää vaihtoehtona piille puolijohteissa. SiC-piirit mahdollistavat sähköautojen ja aurinkoenergian tuotannon tehostamisen, mikä parantaa tehokkuutta ja tuottaa enemmän energiaa samoista resursseista. SiC-transistorit voivat kytkeä suurempia virtoja kuin pii-MOSFETit ja ne voivat toimia korkeammilla taajuuksilla.

Viime vuosina piikarbiditehopuolijohteet ovat tulleet yhä suositummiksi, ja niiden edut ovat suurempia kuin niiden korkeammat kustannukset muihin teknologioihin verrattuna. Tehokkuuden lisäksi ne tukevat suurempaa tehotiheyttä, mikä mahdollistaa kooltaan pienempien tehojärjestelmien luomisen.

Esimerkiksi Infineon Technologiesin CoolSiC-sarjan MOSFETit mahdollistavat tehotiheyden kasvattamisen 2,5-kertaiseksi verrattuna piipohjaisiin IGBT-ratkaisuihin. Yksi tällainen komponentti on IMYH200R100M1H 2000V SiC trench MOSFET (kuvassa 2). Se sopii moniin sovelluksiin, kuten aurinkopaneeliryhmien string-invertterit, aurinkoenergian optimoijat ja sähköautojen lataus. Piiri on suunniteltu lisäämään tehotiheyttä luotettavuudesta tinkimättä jopa vaativissa suurjännite- ja kytkentätaajuusolosuhteissa.

Kuva 2. Infineonin CoolSiC-sarjan MOSFETteja (Lähde: Mouser Electronics).

Sähköautojen lataukseen SiC-piirien korkea hyötysuhde ja kompakti koko sopivat hyvin sekä ajoneuvon sisäisiin latureihin että latausasemaan. Mahdollistamalla suuremman tehokkuuden ja korkeampien jännitteiden käytön SiC-komponentit voivat auttaa pienentämään kaapeloinnin kokoa ja siten vähentämään tarvittavan kuparin määrää.

Johtopäätös

Akut ovat olennainen osa monia teknologiatuotteita. Insinöörien on kuitenkin oltava varovaisia niiden määrittämisessä ja valinnassa sekä minimoidakseen niiden ympäristövaikutukset että parantaakseen järjestelmien suunnittelua vähentämällä virrankulutusta ja pidentämällä akun käyttöikää.

Käyttämällä akkukehitystyökaluja suunnittelijat voivat varmistaa, että he optimoivat akkuvalintansa ja sen, kuinka heidän järjestelmänsä käyttää tuottamaansa energiaa. Ja valitsemalla parhaat komponentit, kuten SiC-puolijohteet, suunnittelijat voivat minimoida suunnittelunsa virrankulutuksen, mikä vähentää akun vaatimuksia.