Supercaps Superkondensatoren als Alternative zur Batterie

Autor / Redakteur: Michael Müller * / Gerd Kucera

Ultrakondensatoren sind als Energiespeicher insbesondere dann geeignet, wenn weite Temperaturbereiche, lange Lebensdauer, hohe Ströme, hohe Zyklenfestigkeit und/oder rasches Laden gefordert sind.

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Bild 1: Eine unterbrechungsfreie Stromversorgung mit Ultracaps als Energiespeicher.
Bild 1: Eine unterbrechungsfreie Stromversorgung mit Ultracaps als Energiespeicher.
(Bild: inventlab)

Weil die Spannung eines Ultrakondensators auf einen relativ geringen Wert limitiert ist, kommt fast keine Applikation ohne Serien-/Parallelschalten aus. Dabei muss einiges beachtet werden und die Berechnung der gespeicherten Energie (insbesondere der nutzbaren Energie) kann sehr aufwändig werden. Die inventlab GmbH hat dieses Problem mit einer Kalkulations-Software gelöst, die innerhalb von Sekunden alle Varianten und Resultate berechnet. Diese Software werden wir am Artikelende nochmals thematisieren.

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Solange maximale Ströme und Spannungen nicht überschritten werden, lassen sich Ultrakondensatoren (anders als Akkus) in jeder möglichen Art laden. Eine übliche Variante, die sowohl einfach realisiert werden kann, als auch bei Einsatz eines Schaltreglers den Leistungsverlust gering hält, ist das Laden per konstantem Strom (constant current CC).

Der Nachteil dabei ist, dass mit steigender Spannung am Kondensator auch die notwendige Ladeleistung (P = U x I) steigt. Gegen Ende des Ladevorgangs resultiert also ein Leistungsaufnahme-Peak, welcher je nach Anwendung eine Überdimensionierung der Ladeschaltung und der Leistungszufuhr erfordert.

Beim Laden über einen einfachen Widerstand hingegen erfolgt der Leistungspeak zu Beginn des Ladevorgangs. Zusätzlich wird eine hohe Verlustleistung erzeugt, welche aber bei seltenen Lade-/Entladevorgängen und je nach Leistungsklasse toleriert werden kann.

Serienschaltung und Parallelschaltung von Kondensatoren

Durch Laden per konstanter Leistung (Constant Power CP) bleibt die Leistungsaufnahme konstant. Allerdings ist diese Variante aufwändig zu realisieren.

Die drei Ladekurven sind in Bild 2 abgebildet. Durch die flexible Lademöglichkeit ist auch ein gesteuertes Ein- und Ausschalten des Ladevorgangs mit verschiedenen Ladeleistungen möglich.

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Dieser Autorenbeitrag ist in der Printausgabe ELEKTRONIKPRAXIS Sonderheft Leistungselektronik & Stromversorgung erschienen. Diese ist auch als kostenloses ePaper oder als pdf abrufbar.

Durch die geringe Spannung von ~2.7 V, auf die Ultrakondensatoren maximal geladen werden dürfen, ist meist eine Serienschaltung notwendig. Bei Serienschaltung reduziert sich jedoch die Kapazität und der Innenwiderstand (ESR) erhöht sich. Je nach Leistungsbedarf wirkt sich das besser oder schlechter auf die nutzbare Energie aus, wie wir später sehen werden.

Die totale Kapazität lässt sich wie folgt berechnen: Ctotal=C x #parallel/#serial. Und der ESR kann durch zusätzliches Parallelschalten wieder limitiert werden; es ergibt sich als ESRtotal=ESR x #serial/#parallel.

Unterschiedliche Leckströme und Kapazitätstoleranzen erzeugen bei Serienschaltung von Ultrakondensatoren unterschiedliche Zellenspannungen, die soweit differieren können, dass die maximal erlaubte Zellenspannung überschritten wird. Ein cell balancing ist notwendig. Auch hier sind verschiedene Varianten möglich; je nach Anwendung und Leistungsklasse mehr oder weniger sinnvoll: Widerstände in Serie, Konstantspannungsregler mit Längstransistor,
Z-Dioden oder aktiv per Schwellenwertschalter und Transistor.

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