Kondensatoren Können elektrische Doppelschichtkondensatoren Akkus ersetzen?

Autor / Redakteur: Christian Kasper * / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Wenn man eine Stromversorgung von Akkus auf EDLCs umstellen möchte, ist dies als 1:1-Austausch nicht immer sinnvoll. Trotzdem lassen sich viele Applikationen mit Hilfe von Supercaps optimieren.

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Ein Akkuschrauber: Typischerweise mit Lithium-Ionen-Akkus betrieben; eine Hybridlösung mit elektrischen Doppelschichtkondensatoren bietet jedoch deutliche Vorteile.
Ein Akkuschrauber: Typischerweise mit Lithium-Ionen-Akkus betrieben; eine Hybridlösung mit elektrischen Doppelschichtkondensatoren bietet jedoch deutliche Vorteile.
(Bild: © nikkytok/Fotolia.com)

Mit zunehmender Popularität der Supercaps (Superkondensatoren, Electric Double-Layer Capacitor (EDLC)) kommt auch vermehrt der Wunsch auf, die Stromversorgung verschiedener Applikationen von Akkus auf EDLCs umzustellen. Dies ist als 1:1-Austausch jedoch nicht immer sinnvoll. Trotzdem lassen sich viele Applikationen mit Hilfe von Supercaps optimieren.

Akkus und Supercaps basieren auf völlig unterschiedlichen Arten der Energiespeicherung. Betrachtet man diese genauer, wird deutlich, warum sie sich nicht einfach austauschen lassen:

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Der Akku – ein elektro­chemischer Speicher

Ein Akku stellt praktisch eine Spannungsquelle dar. Die Spannungslage bleibt beim Entladen über einen weiten Bereich sehr stabil und fällt erst am Entladeende stark ab (Bild 1). Die elektrische Energie wird beim Ladevorgang in chemische Energie umgewandelt und so gespeichert, beim Entladen wird sie wieder als elektrische Energie freigesetzt. Die gespeicherte Energie berechnet sich über die Formel: Energie (Ws) = (Kapazität (Ah) / 3600s) x Nominalspannung (V). Je nach Akkutechnologie erreicht dieses Prinzip einen Wirkungsgrad von ca. 50 bis 90%.

Gegenüber den Kondensatoren haben Akkus den Vorteil eines deutlich höheren Energiegehalts. Ihre Nachteile sind die Empfindlichkeit gegenüber hohen Stromspitzen, die den Akku dauerhaft schädigen, sowie der auf ca. 0 bis 45°C begrenzte Arbeitstemperaturbereich. Werte über oder unter diesen Grenzen führen aufgrund der chemischen Zusammensetzung des Akkus zu einer verkürzten Lebensdauer.

Der Kondensator – ein elektrostatischer Speicher

Da Kondensatoren die Energie in elektrostatischer Form speichern und der Spannungsrückgang bei Stromentnahme nahezu linear verläuft (Bild 1), gelten sie als strombasierte Energiequelle.

Sie erzielen einen Wirkungsgrad von rund 98% und arbeiten ohne Schädigungen in einem Temperaturfenster von -40 bis 65°C; bei niedrigen Temperaturen steigt ihre Kapazität sogar noch leicht an. Durch den ESR im Milliohm-Bereich sind Stromspitzen von mehreren Hundert bis Tausend Ampere möglich. Ihre Achillesferse ist ihr deutlich geringerer Energiegehalt im Vergleich zum Akku. Berechnet wird der Energiegehalt mit der Formel: Ws = 0,5 x Kapazität (C) x Spannungshub (∆V²).

Wie sich der Kondensator dimensionieren lässt

Soll die Stromversorgung von Akkus auf EDLCs umgestellt werden, muss die Dimensionierung des Energiespeichers aufgrund der unterschiedlichen Technologien und Charakteristika grundsätzlich neu überdacht werden. Eine Orientierung ausschließlich an der Auslegung der Akkus ist in der Regel nicht zielführend, da diese oftmals überdimensioniert sind, um auch die erforderlichen Strom-, bzw. Leistungsspitzen zu verkraften. Bei EDLCs ist wegen ihrer Peakstromfähigkeit eine derartige Überdimensionierung nicht erforderlich.

Wer auf Kondensatoren umsteigen möchte, sollte als erstes klären:

  • Welche Energiemenge ist erforderlich?
  • Welcher Strom oder welche Leistung soll wie lange gepuffert werden?
  • Mit welcher maximalen und minimalen Spannung darf die Applikation arbeiten?

Aus energetischer Sicht ist ein Kondensator dann optimal genutzt, wenn er auf Nennspannung geladen und auf die halbe Nennspannung entladen wird. Dies entspricht einer Energieentnahme von 75%. Steht nur ein sehr kleiner Spannungshub zur Verfügung, kann eine Anpassung der Kapazität oder ein Einsatz eines DC/DC-Wandlers notwendig sein.

Wenn die rein energetische Betrachtung in Verbindung gesetzt wird mit dem Volumen der EDLCs und ihren Bauteilkosten, zeigt sich häufig, dass eine reine Kondensatorlösung nicht sinnvoll ist. Die Antwort auf die Frage „Akku oder Kondensator?“ ist dann „Eine Kombination aus beiden“.

Mit einer solchen Hybrid Lösung lässt sich die Kapazität des Akkus besser ausschöpfen und somit die Standzeit pro Ladung ausdehnen. Gleichzeitig verlängert sich durch die geringere Strombelastung die Lebensdauer des Akkus deutlich – nach ersten Erfahrungswerten um bis zu 100 Prozent. Dies lässt sich mit verschiedenen Topologien realisieren, von einer einfachen Parallelschaltung bis hin zu aktiv geregelten und logisch verknüpften Systemen.

Der Akkuschrauber als praktisches Beispiel

Das praktische Beispiel eines 14,4-V-Akkuschraubers soll verdeutlichen, wie sich eine Lösung ausschließlich mit elektrischen Doppelschicht-Kondensatoren, ausschließlich mit Lithium-Ionen-Akkus und mit einer Hybrid-Lösung, d.h. einer Kombination aus Lithium-Ionen-Akku und Superkondensatoren, hinsichtlich Ladezeit, Power und Laufzeit verhält.

Aktuell werden Akkuschrauber vermehrt mit Lithium-Ionen-Akkus ausgestattet. Sie sind leichter und haben eine deutlich höhere Kapazität als ihre Vorfahren, die NiCd- und NiMh-Akkus.

Lösungsansatz mit Doppelschichtkondensatoren

Mit fünf in Serie geschalteten EDLC Zellen à 350 F und einer Ladespannung von 13,8 V konnten im Praxisversuch rund 40 Holzschrauben (4,5 mm x 40 mm) in ein Holzbrett geschraubt werden bevor das Gerät wieder aufgeladen werden musste. Bei 20 A Ladestrom war der Kondensator innerhalb von ca. 35 Sekunden wieder vollgeladen. Hierfür ist keine Ladeelektronik erforderlich, lediglich eine Ladeschluss-Spannungsbegrenzung wird benötigt.

Ein Vorteil dieser Lösung liegt darin, dass auf eine Unterspannungsabschaltung verzichtet werden kann, da selbst bei sinkender Drehzahl noch genügend Drehmoment vorhanden ist. Denn EDLCs können, verglichen mit Akkus, ein Vielfaches an Strom liefern und überstehen auch sehr niedrige Spannungen ohne Schädigung. Sie ermöglichen bis über 500.000 Nachladezyklen.

Mehr schrauben und länger laden mit Lithium-Ionen-Akku

Mit einem Lithium-Ionen-Akku mit einer Nennkapazität von 1,5 Ah ließen sich mit einer Energieladung rund 250 Holzschrauben gleicher Größe in dasselbe Holzbrett drehen. Danach dauert es allerdings rund eine Stunde, bis der Akku wieder vollständig geladen ist .

Dabei ist allerdings auch zu beachten, dass alle hochwertigeren Akkuschrauber eine Unterspannungsabschaltung zum Schutze des Akkus haben. Denn die Entladetiefe (depth of discharge, DOD) eines Lithium-Ionen-Akkus beträgt etwa 70%, d.h. von den 1,5 Ah stehen lediglich 1,05 Ah tatsächlich zu Verfügung. Würde der Akku darüber hinaus entladen werden, hätte dies nachhaltige Schädigungen zur Folge. Mit zunehmender Lebensdauer des Akkus nimmt der Anteil an nutzbarer Nennkapazität weiter ab. Der Akku übersteht in der Praxis zwischen 150 und 200 Ladezyklen.

Hybrid-Lösung kombiniert EDLC und Lithium-Ionen-Akku

Bei der Hybrid-Lösung wurde der 1,5 Ah Li-Ion-Akku durch 15 EDLCs mit jeweils 25 F ergänzt. So konnten mit dem Akkuschrauber ca. 300 Holzschrauben ins Holzbrett geschraubt werden. Die Nachladezeit betrug ebenfalls rund eine Stunde, doch die Lebensdauer des Akkus verdoppelt sich auf bis zu etwa 400 Ladezyklen und die DOD verbessert sich auf 80 bis 90%.

Alle drei Lösungsansätze haben Vor- und Nachteile. Eine allgemeingültige Empfehlung ist deshalb nicht möglich; letztlich ist der Anwendungsfall im Detail zu betrachten. Entscheidend ist:

  • Wer nutzt die Anwendung?
  • Was sind die Anforderungen an das Gerät bzw. wie wird es genutzt?

Es bleibt also spannend ...

* Christian Kasper ist Mitarbeiter im technischen Support bei der Rutronik Elektronische Bauelemente GmbH.

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