Passive Bauelemente Wie Sie Superkondensatoren in Fahrzeugen sinnvoll einsetzen

Autor / Redakteur: James C. Lewis * / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Superkondensatoren sind eine ideale Ergänzung zu herkömmlichen Akkus. Hier erfahren Sie alles über Aufbau, Eigenschaften und sinn­volle Einsatzbereiche dieser leistungsfähigen Energiespeicher.

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Ein Fall für Superkondensatoren: Die leistungsfähigen Energiespeicher können in Nutzfahrzeugen die Starterbatterie beim Anlassen des Dieselmotors helfen.
Ein Fall für Superkondensatoren: Die leistungsfähigen Energiespeicher können in Nutzfahrzeugen die Starterbatterie beim Anlassen des Dieselmotors helfen.
(Bild: fotolia, Jan Reichel)

Nutzer und Betreiber aller Arten von Fahrzeugen – von Kleinwagen wie Autos und Kleinlastwagen bis hin zu großen dieselbetriebenen Nutzfahrzeugen und Lokomotiven – haben ein Interesse an Technologien, mit denen sich die laufenden Kosten und die Umweltbelastung verringern lassen.

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Superkondensatoren verbessern dabei das Energiemanagement in einer Reihe von elektrischen Fahrzeugsystemen, z.B. beim Start, bei der Stopp-/Startfunktion von Verbrennungsmotoren sowie bei der Energiespeicherung und Energieerhöhung (Power Boost) in Antriebssträngen von Hybrid- und Elektrofahrzeugen. Sie können neben einer Blei-Säure- oder Lithium-Ionen-Batterie betrieben werden und könnten in Zukunft sogar einen erheblichen Anteil der Lithium-Ionen-Batteriekapazität in Hybrid- und Elektrofahrzeugen übernehmen.

Superkondensatoren bieten zahlreiche Vorteile

Die Vorteile von Superkondensatoren im Vergleich zu Batterien sind die hohe Leistungsdichte, schnelles Laden, hervorragendes Verhalten bei niedrigen Temperaturen, eine hohe Zahl an Arbeitszyklen und eine längere Lebensdauer. Sie können zudem sicher im ungeladenen Zustand versendet werden, während der Versand von Batterien strengen Vorschriften unterliegt, z.B. denen der IATA (International Air Transport Association) oder der IMO (International Maritime Organization), was den Transport von Lithium-Batterien betrifft.

Solche Regelungen basieren auf Vorgaben der Vereinten Nationen (UN) über den Transport gefährlicher Güter. Hinzu kommt, dass die Zellenspannung von Superkondensatoren von der Bauteilchemie unabhängig ist. Entwickler erhalten damit mehr Freiheit bei der Festlegung der Zellenspannung entsprechend den Anforderungen der Anwendung. Andererseits bedeuten eine höhere Selbstentladung und eine geringere Energiedichte, dass Superkondensatoren eher in Kombination mit Batterien anstatt eigenständig genutzt werden.

Aufbau und Eigenschaften von Superkondensatoren

Superkondensatoren werden auch als Doppelschichtkondensatoren bezeichnet. Ihr Aufbau weist zwei Kohlenstoffelektroden auf jeder Seite eines Zellulose-Separators auf, der mit einem Elektrolyt imprägniert ist. Liegt eine Ladespannung an, wandern Ionen im Elektrolyt zu den Elektroden mit entgegengesetzter Polarität, was zwei getrennte geladene Schichten erzeugt (Bild 1).

Dieser Vorgang ist ähnlich zu dem, was in einer Batterie geschieht, nur dass das Ergebnis auf einem elektrostatischen anstatt chemischen Effekt basiert. Die Reaktion ist damit umkehrbar, wodurch ein Superkondensator eine sehr lange Lebensdauer bietet. Die Zellenspannung ist unabhängig von der verwendeten Chemie. Obwohl die Energiedichte geringer als bei einer Batterie ist (<15 Wh/kg) bieten Superkondensatoren eine sehr hohe Leistungsdichte von ca. 4000 W/kg.

Superkondensatoren können mit Kapazitäten von Tausenden von Farad gefertigt werden. Die Kapazität ergibt sich durch folgende Gleichung:

C = ε0.K.A/d

Dabei ist A die Fläche der Kohlenstoffelektrode und d die Dicke der inneren Helmholtz-Schicht, die sich am nächsten zur Elektrode befindet (Bild 2).

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.

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.

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.

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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