Passive Bauelemente

Wie Sie Superkondensatoren in Fahrzeugen sinnvoll einsetzen

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Starthilfe für extrem große Dieselmotoren

Die größten Dieselmotoren, wie sie in Muldenkippern im Bergbau und in Lokomotiven zum Einsatz kommen, können 1000 bis über 3000 PS Leistung aufweisen, was hohe Anforderungen an herkömmliche Starterbatterien stellt. In einer Lokomotive wird die Batterie zuerst zur Aktivierung der hydraulischen Pumpen eingesetzt, um den Motor für den Start vorzubereiten. Bei kaltem Wetter muss zudem noch eine Vorheizphase erfolgen, um einen weichen Anlauf zu erhalten, ohne dabei Motorkomponenten zu beschädigen.

Vorstartprozeduren belasten die Starterbatterie

Die Vorstartprozeduren können bis zu 60 Sekunden Zeit in Anspruch nehmen, was dazu führt, dass die Batterie bereits erheblich entladen ist – noch bevor der eigentliche Anlassvorgang stattfindet. Bei normalem Gebrauch betreibt die Batterie auch andere Bordsysteme wie Kompressoren und das Bremssystem – selbst wenn der Motor nicht läuft. Soll dann der Motor erneut gestartet werden, ist es möglich, dass die Batterie nicht mehr über genügend Energie verfügt, um den Strom für den Anlasser bereitzustellen. Dieser Wert kann 2000 A oder mehr betragen. Eine Überdimensionierung der Batterie, um einen zuverlässigen Start zu garantieren, erhöht das Gewicht und die Kosten. Alternativ kann man den Lokomotivmotor im Stillstand laufen lassen, was allerdings Kraftstoff verschwendet und Abgase erzeugt, die in einigen Bereichen, wie z.B. in Bahnhöfen, unerwünscht sind.

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Hoher ESR großer Batterien lässt Startspannung einbrechen

Die großen Blei-Säure- oder Blei-Eisen-Batterien, die in Lokomotiven zum Einsatz kommen, weisen auch Nachteile hinsichtlich ihrer Größe und ihres Aufbaus auf. Batterien mit ausreichender Kapazität, die den erforderlichen Spitzenstrom bereitstellen, weisen auch einen hohen ESR auf, der die Startspannung auf die Hälfte der Nennspannung verringern kann. Diese Batterien sind außerdem nicht abgedichtet und mit einer Entlüftung ausgestattet, die einen hohen Wartungsaufwand verursacht.

Ein Superkondensator kann die Batterie unterstützen, um somit ein zuverlässigeres Starten zu gewährleisten. Ist dieser parallel zur Batterie geschaltet, wird er vor seinem Einsatz vorgeladen und beide Quellen stellen Energie bereit, sobald der Startschaltkreis aktiviert wird.

In einem System, das einen Spitzenstrom von 2000 A bereitstellen soll, um einen 3000-PS-Motor zu starten, muss ein Superkondensator-Leistungsmodul über 1600 A Strom liefern. Damit sinkt die Anforderung an die Batterie auf etwa 400 A. Dies bietet einige Vorteile: Eine kleinere, leichtere und kostengünstigere Batterie lässt sich einbauen, und der Motorstart ist garantiert, selbst wenn die Batterie nicht vollständig geladen ist. Eine Tiefenentladung der Batterie wird verhindert und deren Lebensdauer steigt. Hinzu kommt, dass die Energieabgabe nicht durch kaltes oder heißes Wetter beeinflusst wird, wie es bei Blei-Säure- oder Blei-Eisen-Batterien der Fall ist.

Die Funktion der Hauptbatterie stärken

Superkondensatoren stellen kurzfristigen Spitzenstrom für verschiedene Anwendungen bereit, darunter auch für Gabelstapler. Bei einem voll elektrischen Gabelstapler beträgt der Spitzenleistungsbedarf beim Anheben oder Senken von Lasten oft das 10-fache des durchschnittlichen Leistungsverbrauchs, wie er beim Fahren erforderlich ist. Würde allein die Batterieleistung verwendet, müsste die Batterie entsprechend groß ausgelegt sein, um den Spitzenleistungsbedarf zu decken.

Die Anforderungen in einer gesamten Arbeitsschicht können dann einen oder mehrere Batteriewechsel erfordern, damit der Gabelstapler kontinuierlich genutzt werden kann. Die Betriebskosten lassen sich senken, wenn die Zahl der Batterien, die pro Gabelstapler erforderlich sind, verringert wird. Die Gesamtgröße des Batterie-Packs ist zudem begrenzt durch die Staplergröße, da die physikalischen Gegebenheiten in Lagerhallen etc. durch die Abmessungen der Standardpaletten vorgegeben sind.

Um die Betriebsdauer der Batterie zu verlängern, können Superkondensatoren zusätzliche Leistung bei einem Spitzenbedarf bereitstellen. Ein Superkondensator-Modul lässt sich mit einer einfachen Verbindung über der Batterie hinzufügen oder kann zusammen mit regenerativen oder stromspeisenden Subsystemen verwendet werden, um die Leistungsfähigkeit und die Batteriegröße zu optimieren.

Gabelstapler mit Superkondensatoren laufen länger

Der Superkondensator verlängert die Betriebszeit des Gabelstaplers, bevor die Batterie gewechselt werden muss. Betreiber können somit Kosten einsparen und die Anzahl vorzuhaltender Batterien verringern. Da die Staplerbatterie auch daran gehindert wird, tiefenentladen zu werden, verlängert sich die Gesamtlebensdauer, und die hervorragende Leistungsfähigkeit von Superkondensatoren bei niedrigen Temperaturen macht sich vor allem bei Gabelstaplern bemerkbar, die in kalten Umgebungen betrieben werden, z.B. in Kühlhäusern oder im Freien.

Superkondensatoren stellen für kurze Zeit sehr hohe Leistungsspitzen bereit

Im Vergleich zu derzeitigen Batterietechniken, die eine hohe Energiedichte und geringe Selbstentladungsrate bieten, können Superkondensatoren für kurze Zeit sehr hohe Leistungsspitzen bereitstellen, wobei sie eine zahlreiche Arbeitszyklen und eine lange Betriebslebensdauer bieten. Ein Superkondensator ist die ideale Hilfskomponente für eine Batterie und optimiert den Motorstart, die Leistungsfähigkeit, Zuverlässigkeit und die Gesamtbetriebskosten in Transport-Anwendungen von Hybrid- und Elektrofahrzeugen bis hin zu großen Industriefahrzeugen und Lokomotiven.

* James C. Lewis ist Technical Marketing Director, Kemet Electronics Corp.

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