Ultrakondensatoren Tatkräftige Starthilfe

Autor / Redakteur: Arthur Kurz* / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Immer mehr Stromfresser in modernen Autos setzen der Batterie arg zu. So ist es kein Wunder, dass die Starterbatterie laut ADAC Pannenursache Nr. 1 bei elektrisch und elektronisch bedingten Ausfällen ist. Dass das nicht sein müsste, zeigt Kromberg & Schubert mit seinen Ultrakondensator-Modulen.

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( Archiv: Vogel Business Media )

Spitzenstromverbraucher wie Anlasser, E-Lenkung, Ventilsteuerung, Common Rail und Zusatzheizer benötigen im Betrieb kurzzeitig extrem hohe Ströme, die Generator und Batterie wegen ihres relativ hohen Innenwiderstandes nur unzureichend liefern können. Damit sind Spannungseinbrüche am Bordnetz unabdingbar und verursachen an anderer Stelle Funktionsstörungen. Abhilfe schaffen Kurzzeitspeicher mit niederen Quellwiderständen, die Spitzenstromverbraucher in solchen Fällen zuverlässig versorgen. Kondensatoren mit hoher Leistungsdichte, d. h. mit hoher Kapazität bei gleichzeitig niederem Innenwiderstand sind prädestiniert für diese Aufgabe.

Kleine Speicherwunder

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In den vergangenen Jahren wurden sogenannte Ultrakondensatoren entwickelt – Kondensatoren mit einer enormen Leistungsdichte, die auch automotiven Erwartungen erfüllen. Ultrakondensatoren sind mittlerweile als Zellen in akzeptabler Größe und zu moderaten Preisen erhältlich. Mit ihnen lassen sich Module mit der für automobile Anwendungen notwendigen Energie und Leistung serienmäßig aufbauen.

Schaltet man Ultrakondensatoren mit anderen Energieeinheiten zusammen, lassen sich viele auf andere Weise unlösbare Probleme lösen. Die Kombination von Hochleistungs-Bleibatterien mit Ultrakondensatoren ergibt ein System, das die Vorteile beider Komponenten vereint: Die Bleibatterie besticht mit ihren guten Werten in Sachen Leistung, Selbstentladung, Verfügbarkeit und Kosten, während der Ultrakondensator mit hoher Ladeakzeptanz und Effizienz, Zyklenstabilität und guter Leistung bei niederen Temperaturen punktet. Gerade bei dezentralen Energieversorgungssystemen lassen sich mit dem Einsatz von Ultrakondensatoren Verkabelungsaufwand, Gewicht und Kosten reduzieren. Die Ultrakondensatoren übernehmen dabei die Funktionen von Batterien, jedoch mit höherer Zuverlässigkeit und Gesamtleistung. Das Energiemanagement wird verbessert und die Lebensdauer der Batterie verlängert.

Alte Technik neu entdeckt

Ultrakondensatoren basieren auf einer Double-Layer-Technologie, die seit über hundert Jahren bekannt ist, aber erst seit etwa zehn Jahren für kommerzielle Anwendungen nutzbar ist. Sie sind kompakt und können eine sehr viel größere Energiemenge aufnehmen als herkömmliche Kondensatoren. Gleichzeitig erbringen sie auch eine sehr viel höhere kurzzeitige Leistung als Batterien.

Gegenüber herkömmlichen Batterien bieten Ultrakondensatoren eine ganze Reihe von Vorteilen. So arbeiten sie auch bei grimmiger Kälte bis -40°C zuverlässig, während unbeheizte Batterien unter 0°C nur noch eine eingeschränkte Kapazität aufweisen. Darüber hinaus haben Ultrakondensatoren eine lange Lebensdauer von typischerweise 1 Mio. Ladezyklen, sodass sie während der gesamten Lebensdauer eines Kfz wartungsfrei sind.

Der Umwelt zuliebe

Gerade Anwendungen die kurze Spitzenleistungen zwischen längeren Intervallen mit geringem Energiebedarf erfordern, sind ein Dorado für Ultrakondensatoren, die zudem 20% bis 25% effizienter sind als Batterien, umweltfreundlich und bis etwa 70% recyclingfähig und ohne schädliche Schwermetalle auskommen.

Mit Ultrakondensatoren lässt sich das Startverhalten bei extrem niederen Temperaturen verbessern, das Gewicht am Fahrzeug, der Kraftstoffbedarf sowie der notwendigen Bauraum für das Bordnetz reduzieren – und zwar umweltbewusster und preiswerter als mit anderen Systemen.

Möglichst nah am Generator

Da die Energie beim Auto über etwa 5 … 6 m oft unterflurig am Fahrzeugboden transportiert wird und eine niederohmige Zuführung von der Batterie nötig ist, wird eine Starterleitung mit einem Querschnitt von rund 90 mm² benötigt. Aus Gründen der EMV werden die Kabelstränge der Großverbraucher räumlich voneinander getrennt von der Batterie zum Verbraucher geführt.

Speist man pulsierende Großverbraucher direkt vom Generator oder Ultrakondensator, lässt sich die EMV verbessern bei einer einfacheren Kabeltopologie. Befinden sich Ultrakondensatoren in unmittelbarer Nähe von Starter und Generator, so vereinfacht dies die Kabelführung deutlich und es werden weniger Energiekabel benötigt.

Frei gestaltbare Geometrie

Die PowerPack-Module von Kromberg & Schubert beispielsweise können grundsätzlich nach dem zur Verfügung stehenden Bauraum im Kfz frei gestaltet werden. So lassen sich in Bauform, Abmaße die individuellen Wünsche realisieren. Neben den Ultrakondensatoren in ausreichender Menge und Kapazität befinden sich in einem Modul elektrische und elektronische Schaltmittel zur Überwachung bei Jumpstart, Service und Crash. Das Ladungsniveau des Moduls wird ebenfalls in Form von Statussignalen bereitgestellt. Entsprechende Befestigungsflansche oder Befestigungsbohrungen sowie M8-Schraubbolzen oder Kabelendstücke mit Ringösen für die Energieanschlüsse sind ebenfalls möglich.

Startprobleme waren einmal

In der Praxis verbessern Ultrakondensatoren das Startverhalten des Verbrennungsmotors deutlich. Da der dynamische Innenwiderstand eines Ultrakondensators sehr niedrig ist, können in kürzester Zeit extrem hohe Impulsströme entnommen werden und der Starter bewegt den Verbrennungsmotor äußerst „drehfreudig“. Die Kapazität des Ultrakondensators reicht völlig aus, um den Verbrennungsmotor mehrmals kurz hintereinander zu starten. Darüber hinaus schonen Ultrakondensatoren die eigentliche Batterie, die sich oft im Heck befindet. So verlängert sich deren Lebensdauer verlängert, da sie keine Pulsbelastungen bei Startvorgängen ertragen muss.

Noch mehr Vorzüge

Beim Einsatz von Ultrakondensatoren im Bordnetz entfällt auch die dicke B+-Leitung mit einem Querschnitt von 70 bis 90 mm2, die vorher meist unterflurig separat zu Starter und Generator verlegt werden musste. Bei der Ultrakondensator-Lösung sind es nun nur noch 16 bis 25 mm2. Auch kann die Kapazität und Größe der Batterie nun um rund 1/3 niedriger bemessen werden. Zudem unterdrückt der dynamisch niederohmige Ultrakondensator elektromagnetische Störungen nun direkt an der Störquelle.

Die Vorteile einer Lösung mit Ultrakondensatoren überwiegen bei gleichen oder sogar niedrigeren Kosten. So lassen sich rund 5 kg bis 8 kg einsparen, was den Kraftstoffverbrauch reduziert. Darüber hinaus verringert sich der Batterieverschleiß, was deren Lebensdauer erhöht. Zudem wird für Batterie und Kabel weniger Platz benötigt, pulsierende Großverbrauchern stören weniger und das Startverhalten verbessert sich auch bei einer alten oder schlecht geladenen Batterie.

*Dipl.-Ing. Arthur Kurz, ist Leiter der Elektronikintegration bei der Kromberg & Schubert GmbH & Co. KG, Renningen

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