Passive Bauelemente

Wie Sie Superkondensatoren in Fahrzeugen sinnvoll einsetzen

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Module und Spannungsausgleich

Um die Energie für die Zielanwendung bereitzustellen, sind Superkondensatoren in Module unterteilt (Bild 3). Sie sorgen für einen Spannungsausgleich (Voltage Balancing), bieten Sicherheitsfunktionen wie ein Überdruckventil und Schaltkreise zum Entladen des Kondensators.

Ein Superkondensator-Modul besteht aus mehreren Low-Voltage-Kondensatoren, die in Serie geschaltet sind und so einen Kondensator-Stack bilden. Wird Spannung an die Anschlüsse angelegt, ist die anfängliche Spannungsverteilung über die Zellen eine Funktion der einzelnen Kapazitäten. Nachdem der Stack einige Zeit mit dieser Spannung verbunden ist, verläuft die Spannungsverteilung über die einzelnen Leckströme der Zellen. Zellen mit höheren Leckströmen weisen eine geringere Spannung auf, wobei andere Zellen einer höheren Spannung ausgesetzt sind, was zu einer kürzeren Zellenlebensdauer und einem vorzeitigen Modulausfall führen kann.

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Zellen-Lebensdauer hängt von Spannung und Temperatur ab

Spannung und Temperatur sind die ausschlaggebenden Faktoren, die zur Zellen-Lebensdauer beitragen. Das Ende der Lebensdauer des Kondensators lässt sich entsprechend seines Kapazitätsverlustes ermitteln, der einen bestimmten Anteil von zum Beispiel 20% einnimmt oder sich in einem größeren (mitunter verdoppelten) äquivalenten Serienwiderstand äußert. Der Kapazitätsverlust verlangsamt sich im Laufe der Zeit. Betriebsbedingungen wie Entladungsrate und -tiefe haben keinen Einfluss auf die Lebensdauer. Dies steht im Gegensatz zur Lebensdauer einer Batterie, die sich bei schnellem oder tiefem Entladen erheblich verkürzen kann.

Der Spannungsausgleich dient zur Einhaltung einer konstanten Spannung an den einzelnen Zellen im Stack. Dies erfolgt über einen passiven Schaltkreis mit Widerständen, um die Auswirkungen von Kondensator-Leckströmen zu mindern. Alternativ lässt sich mit einer Ladungspumpe ein aktiver Ausgleich realisieren, bei dem überschüssige Ladung abgeführt wird, was wesentlich energieeffizienter ist.

Development Kit hilft Entwicklern beim Modulaufbau

Kemets Superkondensatoren der S301-Serie sind Zellen mit schweißbarem Axial-Schraubanschluss, die für Hochleistungsmodule im Transportwesen, unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV), für die Leistungskompensation und für Backup-Systeme geeignet sind. Die Zellen weisen eine Nennspannung von 2,7 V auf und stehen mit Kapazitätswerten von bis zu 3000 F bereit. Sie liefern für die Dauer von einer Sekunde an die 2200 A Spitzenstrom. Das Supercapacitor Development Kit von Kemet hilft Entwicklern beim Modulaufbau. Es enthält bis zu sechs S301-Zellen mit je 60 mm Durchmesser (Bild 4). Hinzu kommen Platinen mit zweistufigen aktiven Ausgleichsschaltkreisen, Sammelschienen, Schrauben, Beilagscheiben und Anschlussdrähte.

Anwendungen für Superkondensatoren

Durch die Bereitstellung hoher Energie können Superkondensator-Module Batterien beim Starten von Motoren unterstützen. Dabei kann es sich um Pkw-Motoren mit Stopp-/Start-Technik handeln oder um Hochleistungsanwendungen wie Startsysteme für Diesel-Lokomotiven.

Der Start-/Stopp-Betrieb stellt hohe Anforderungen an herkömmliche Blei-Säure-Batterien in Fahrzeugen. Die Batteriespannung kann beim Anlassen um die Hälfte abfallen, und regelmäßige Neustarts im Stadtverkehr können zu einer Tiefenentladung führen und die Batterielebensdauer erheblich verkürzen.

Superkondensatoren bieten hingegen eine sehr lange Lebensdauer und lassen sich schnell wieder aufladen. Damit können sie Blei-Säure-Akkus beim Anlassen des Motors und im Start-/Stopp-Betrieb während der Fahrt unterstützen. Superkondensatoren sind auch besonders effizient bei der Energiespeicherung in einem Rückgewinnungssystem, z.B. beim regenerativen Bremsen. Damit verlängert sich nicht nur die Batterielebensdauer, sondern auch die allgemeine Gebrauchstauglichkeit von Fahrzeugen mit Start-/Stopp-Funktion wird verbessert. Außerdem sorgen Superkondensatoren auch für mehr Wirtschaftlichkeit und Reichweite bei Hybrid- und Elektrofahrzeugen.

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