Ultrakondensatoren plus Akkumulatoren

Bedingt durch sich verändernde Anforderungen an das Energiemanagement im Automobil spielen neue Energiespeichertechniken eine zunehmend wichtige Rolle. Gerade zur Rekuperation oder zur Unterstützung des Bordnetzes ergeben sich Herausforderungen an Energiespeicher, denen Akkumulatoren nicht oder nur teilweise genügen.

Bedingt durch sich verändernde Anforderungen an das Energiemanagement im Automobil spielen neue Energiespeichertechniken eine zunehmend wichtige Rolle. Gerade zur Rekuperation oder zur Unterstützung des Bordnetzes ergeben sich Herausforderungen an Energiespeicher, denen Akkumulatoren nicht oder nur teilweise genügen.

Energiespeicher

energiespezifische Kosten [Euro/Wh]

leistungsspezifische [Euro/kW]

Ultrakondensator

12

9

Blei-Akkumulator

0,1

65

NiMH-Akkumulator

0,5

60

Lithium-Ionen-Akkumulator

0,4

60

Tabelle 1. Wenn es um das Speichern von elektrischer Energie geht, sind die Akkumulatoren wesentlich kostengünstiger als Ultrakondensatoren, wenn aber die Leistung im Vordergrund steht, dann sind Ultrakondensatoren kostengünstiger.

Der EMS-Überwachungs-Controller für die DC/DC-Wandler-Schnittstelle kontrolliert kontinuierlich den Laststrom (IL) und die Ausgangsspannung (UA), den Ausgangsstrom der Ultrakondensatoren (IC) sowie deren Spannung (UC) und den Ausgangsstrom der Li-Ionen-Zellen (IA).

Er erzeugt aus diesen Messwerten das Steuersignal für den Auf-/Abwärts-Wandler (T1, T2), das für den bidirektionalen Ladungsfluss notwendig ist, wobei die gesammelten SOC-Informationen (state-of-charge) der Li-Ionen-Zellen und des Ultrakondensators mit einfließen. Des Weiteren wird die relative Verteilung hinsichtlich dynamischem (Ultrakondensator) und langfristigem (Li-Ionen-Akku) Bedarf unter Berücksichtigung der SOC-Informationen sowie des entsprechenden Leistungsbedarfs festgelegt. Auf Fahrzeugbasis ermittelt der EMS-Controller, der mit übergeordneten Controllern verbunden ist, die längerfristigen Trends der beiden Komponenten hinsichtlich SOC, so dass Treibstoff-Einsparpotentiale ausgenutzt und die Leistungsfähigkeit optimiert werden.

Um den Einsatz von Ultrakondensatoren mit DC/DC-Wandlern rechtfertigen zu können, muss eine Gesamteffizienz von mindestens 90 %, in Kombination mit Li-Ionen-Zellen von 90 % ... 95 % über einen weiten Spannungsbereich erreicht werden.

Untersuchungen zeigen, dass durch den extrem geringen Innenwiderstand des Ultrakondensators und die damit einhergehende hohe Effizienz bei relativ hohen Leistungen ein Wirkungsgrad von >90 % realistisch ist. Bild 7 stellt das Ergebnis einer Untersuchung bei konstanter Leistung dar. Die Effizienz ist =95 % bei Puls-Intervallen von 8 s bei 10 % Pml, über 2 s bei einem Viertel Pml bis hin zu 1 s bei 40 % Pml. Bei Ultrakondensatoren, die für Automobil-Anwendungen entwickelt wurden, liegt die Gesamt-Effizienz bei 95 % ... 98 %. Um die anspruchsvollen Anforderungen der Automobilindustrie zu erfüllen, wurden Energiespeicher in den letzten Jahren enorm weiterentwickelt. Derzeit können aber weder Li-Ionen-Zellen alleine die Anforderungen erfüllen, da beispielsweise ein signifikanter Anteil der Leistungsfähigkeit bei Temperaturen unter –10 °C verlorengeht, noch stellen Ultrakondensatoren aufgrund der geringeren Energiedichte eine Alternative dar. Um die konträren Vorteile beider Systeme optimal nutzen zu können, ist die aktiv-parallele Kombination von Ultrakondensatoren mit Li-Ionen-Akkus empfehlenswert.

Mit einer geeigneten Energiemanagement- Strategie können beide Komponenten in ihrem jeweils optimalen Effizienzbereich betrieben werden. Die aktiv-parallele Kombination erfordert einen bidirektionalen DC/ DC-Wandler mit höchstem Wirkungsgrad, der mit den kontinuierlichen Leistungs-Umkehrungen nahezu verlustfrei umgehen kann. Harry Schubert