Aerogel-Superkondensatoren für die Leistungselektronik

Mehr Leistung bei längerer Lebensdauer

Aerogel-Superkondensatoren haben eine höhere Leistungsdichte als Batterien und »leben länger«. »Diese Vorteile, kombiniert mit einem sehr niedrigen Leckstrom und einer guten Leistungsfähigkeit bei niedrigen Temperaturen, prädestinieren sie als Ersatz für Batterien und für den Einsatz in Anwendungen mit hoher Impulsleistung«, erklärt Stefani Schürmann, Technisches Marketing für passive und elektromechanische Bauelemente bei setron.

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Stefani Schürmann, setron: »Aerogel-Kondensatoren bezeichnet man oft auch als kleine Batterie, weil sie eine ähnliche Energiespeicherfähigkeit erreichen. Sie bieten aber zudem deutliche Vorteile gegenüber der Batterietechnik.«

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Stefani Schürmann, setron: »Aerogel-Kondensatoren bezeichnet man oft auch als kleine Batterie, weil sie eine ähnliche Energiespeicherfähigkeit erreichen. Sie bieten aber zudem deutliche Vorteile gegenüber der Batterietechnik.«

Superkondensatoren, auch bekannt als Ultrakondensatoren oder als elektro-chemische Doppelschicht-Kondensatoren (EDLC), liegen in ihrer Leistungsfähigkeit zwischen Batterien (hohe Energiedichte, geringe Leistungsdichte) und Elektrolytkondensatoren (geringe Energiedichte, hohe Leistungsdichte). Die PowerStor-Aerogel-Kondensatoren von Cooper Bussman sind zwar ebenfalls Superkondensatoren, aber sie verwenden Aerogel-Kohlenstoff als aktives Material, während ansonsten normalerweise Aktivkohle als Industriestandard zum Einsatz kommt. Der Aerogel-Kohlenstoff macht es möglich, Kondensatoren mit einem sehr niedrigen Innenwiderstand (ESR) und einer hohen Kapazität pro Volumen herzustellen.

Erhältlich sind die PowerStor-Superkondensatoren bei setron in verschiedenen Varianten mit sehr niedrigem ESR-Wert oder hoher Kapazität pro Volumen. »Aerogel-Kondensatoren bezeichnet man oft auch als kleine Batterie, weil sie eine ähnliche Energiespeicherfähigkeit erreichen, aber zudem deutliche Vorteile gegenüber der Batterietechnick bieten«, beschreibt Schürmann. In Anwendungen mit impulsförmigen Strömen - z.B. GSM-Telefone oder die Betätigung von Ventilen und Magnetspulen - sind die Kondensatoren bislang meist überdimensioniert, um die schwache Leistung aufgrund des relativ hohen Innenwiderstands zu kompensieren. Für solche Anwendungen sind Superkondensatoren besonders geeignet, reduzieren sie doch die Größe und das Gewicht des Endprodukts und verlängern gleichzeitig auch die Batterielaufzeit. »Durch die Parallelschaltung von einem Superkondensator und einer Batterie ergibt sich ein hybrider Batteriekondensator mit niedriger Impedanz, wobei die Batterie dafür sorgt, dass die Anwendung kontinuierlich mit Strom versorgt und der Kondensator aufgeladen wird, während der Kondensator den Spitzenstrom liefert«, führt Schürmann aus.

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Leistungsvergleich von Aerogel-Kondensator und Batterie

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Leistungsvergleich von Aerogel-Kondensator und Batterie

Bei derartigen Anwendungen, so Schürmann, sei der Innenwiderstand des Kondensators der dominierende Faktor bei der Bauelemente-Auswahl, weil der größte Teil des Spannungseinbruchs zwischen Kondensator und Last durch den Innenwiderstand verursacht wird. Speziell für Anwendungen mit impulsförmigen Strömen empfiehlt setron deshalb die PowerStor-M-Serie, die sich durch einen extrem niedrigen Innenwiderstand auszeichnet. Erhältlich sind die Superkondensatoren mit Kapazitäten von 1,0 F bis 9 F und einem Innenwiderstand zwischen 30 mΩ und 200 mΩ.

Der Vorteil eines hybriden Systems, wie oben beschrieben, ist, dass sich der Spannungseinbruch an der Last während eines Spitzenstroms reduzieren lässt und damit die Schaltung mit einer viel niedrigeren Batteriespannung weiterarbeiten kann. Das ermöglicht laut Schürmann in den meisten Anwendungen mit impulsförmigen Strömen beim Einsatz von Alkali-Batterien eine mindestens dreifach längere Batterielaufzeit: »Sogar bei den deutlich teureren Batterien mit niedriger Impedanz, wie Li-Ionen, bietet ein solches hybrides System entscheidende Vorteile, besonders bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt.« Darüber hinaus ermöglicht es auch den Einsatz von Energiequellen wie Solarzellen, die nur eine sehr geringe Leistung bringen.

Weiterführende Links:

• Stromversorgung für High-Power-LEDs: Passive Bauteile sind das Zünglein an der Waage
• setron veranstaltet LTspice-IV-Deutschland-Tour: Schaltungsdesign mit dem Spice-Maestro Mike Engelhardt