Superkondensatoren Super-Caps zur Speicherung von Backup-Energie

 Abbildung 1. Blockdiagramm als Beispiel eines Batterie-Backup-Systems unter Verwendung einer Supercap-Batterie
Abbildung 1. Blockdiagramm als Beispiel eines Batterie-Backup-Systems unter Verwendung einer Supercap-Batterie

Super-Caps (SCs) finden in einer Vielzahl von Power-Management-Anwendungen Einsatz. Dieser Artikel zeigt auf, wie die SCs geladen werden können und wie die beste Systemkonfiguration für die Speicherung von Backup-Energie ermittelt wird.

Der Vorteil der SCs: Sie können wesentlich häufiger geladen und entladen werden als herkömmliche Blei-Säure-Akkus. Außerdem nehmen sie Energie schneller auf, ohne dass die Lebensdauer leidet. Der nachfolgende Beitrag setzt sich mit den Herausforderungen der Aufladung dieser Kondensatoren auseinander und gibt den Entwicklern von Stromversorgungssystemen Hinweise zur Evaluierung und Auswahl der besten Systemkonfiguration für die Speicherung von Backup-Energie.

Superkondensatoren, auch Super-Caps (SCs) genannt, werden in einer Vielzahl von Power-Management-Anwendungen eingesetzt, darunter in Start-Stopp-Systemen mit regenerativem Bremsen im Automobil. In diesen Systemen können SCs die Energie bereitstellen, die sowohl zum Einkuppeln des Anlassers und damit zum Wiedereinschalten des Verbrennungsmotors als auch zur Aufnahme der im Zuge der Nutzbremsung rückgewonnenen kinetischen Energie erforderlich ist.

Um die in der SC-Batterie gespeicherte Energie auf ein Höchstmaß zu bringen, schaltet man in den meisten Fällen am besten mehrere SC-Zellen in Reihe, um die hohen Batteriespannungen zu erreichen. Beim Aufladen ist die Verwendung einer CICV-Lademethode zu bevorzugen, um die hohen Ströme zu begrenzen, die sonst infolge des niedrigen ESR des SC beim Aufladen auf eine konstante Spannung fließen würden.

Das System

Es sind zahlreiche Systemkonfigurationen bekannt, die SC-Batterien (SC  Banks) zur Speicherung der Backup-Energie einsetzen. Zuerst müssen sich die Entwickler mit ihrer Energiespeicher-Konfiguration auseinandersetzen und dann entscheiden, mit welcher Spannung die Energie gespeichert werden kann. Die richtige Konfiguration hängt von den Leistungs- und Spannungsanforderungen der Last sowie von dem Energie- und Spannungspotenzial des SCs ab. Sobald die beste Konfiguration  ermittelt ist, muss das bester Verhältnis von Gesamt-Performance zu Kosten gefunden werden.

Abbildung 1 zeigt das Blockdiagramm einer Konfiguration, bei der die Lasten aus Bausteinen bestehen, die geregelte Eingangsspannungen benötigen (3,3 V, 5 V, 12 V, etc.). Die Hauptversorgungsspannung von 48 V speist den Schaltregler 2 (SW2) im Normalbetrieb und lädt gleichzeitig über den Schaltregler 1 (SW1) die SC-Batterie auf 25 V auf. Wird die Hauptversorgung unterbrochen, übernimmt die SC-Batterie die Versorgung von SW2 und gewährleistet einen unterbrechungsfreien Betrieb der Last.