Ultrakondensatoren plus Akkumulatoren
Fortsetzung des Artikels von Teil 2
Lebensdauer und Zyklenfestigkeit
Energiespeicher | Zyklenfestigkeit bei 80% Entladetiefe [Zyklenzahl] | spezifische Energie x Zyklenfestigkeit - bei 80% Entladetiefe [Wh-Zyklen] |
| Ultrakondensator | > 106 | 4 x 106 |
Blei-Akkumulator | 3 x 102 | 7 x 103 |
| NiMH-Akkumulator | 4 x 103 | 1,5 x 105 |
| Lithium-Ionen-Akkumulator | 5 x 103 | 2,8 x 105 |
Tabelle 2. Die Gegenüberstellung der Lebensdauer – Anzahl der Lade/Entlade-Zyklen und Energiedurchsatz über die Lebensdauer – zeigt die grundsätzlichen Unterschiede zwischen Kondensator und Akkumulator. | ||
- Effizienz
Durch ihren geringen Innenwiderstand sind Ultrakondensatoren effizienter als Akkumulatoren. Sie erreichen Wirkungsgrade von weit über 90 %, wogegen Akkumulatoren zum Speichern von Bremsenergie (Rekuperation) im Durchschnitt weit unter 70 % liegen.
Mit dem höheren Wirkungsgrad geht ein geringerer Bedarf an Kühlung einher; Luftkühlung ist ausreichend. Der geringere Kühlungsaufwand trägt auch zu niedrigeren Kosten für das Gesamtsystem bei. Module mit integrierten Leistungs-Zellen (Bild 3) stellen den derzeitigen Stand der Technik hinsichtlich spezifischer Leistungsdichte (annähernd 20 kW/kg), geringer Kosten (ca. 9 Euro/kW) und höchster Effizienz (>95 %) dar. Ein hoher Wirkungsgrad bedeutet ein hohes Einsparpotential bezüglich des Schadstoff- Ausstoßes und des Treibstoff-Verbrauchs bei verbesserter Leistung.
- Temperaturbereich
Ultrakondensatoren sind innerhalb eines breiten Temperaturbereichs einsetzbar, der bis –40 °C reicht. Viele Batterien sind bereits bei Temperaturen unter –10 °C nicht mehr oder nur begrenzt funktionsfähig.
Ultrakondensator plus Akku
Die Kombination Ultrakondensator plus Li-Ionen-Akku stellt hinsichtlich Leistungs- und Energieoptimierung ein ideales System dar. Die Anforderungen im Automobilbereich an schnelle Speicherung sowie entsprechend effiziente Rückführung, zusammen mit einer längerfristigen kontinuierlichen Energieversorgung – beispielsweise für rein elektrisches Fahren –, werden mit dieser Kombination erfüllt.
Um bestmögliche Resultate zu erreichen, sind einige Anforderungen an die Schnittstelle dieser Konfiguration zu erfüllen. In Bild 4 sind die unterschiedlichen Spannungen der Li- Ionen-Zellen und des Ultrakondenstors aufgezeigt.
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- Direkt-parallele Kombination
Eine direkt-parallele (Bild 5 links) Kombination von Ultrakondensatoren mit Li-Ionen-Zellen wird im Bereich Telekommunikation bereits eingesetzt. Eine Li-Zelle (~ 4 V) wird parallel zur Reihenschaltung zweier Ultrakondensatoren (2,3 V ... 2,5 V pro Kondensator) geschaltet. Durch den geringen Innenwiderstand liefert der Ultrakondensator die Leistungs-Peaks für die Signal Übertragung, während die Lithium- Ionen-Zelle die kontinuierliche Energieversorgung während der Standby- Zeiten sicherstellt. Bei dieser Kombination, die bereits in Serie angewendet wird, sind die Vorteile beider Systeme in idealer Weise kombiniert. Schnelle Reaktionszeiten werden durch den Ultrakondensator gewährleistet und die Lebensdauer der Batterie verlängert, da sie stressfrei betrieben werden kann.
Dieser Ansatz kann auch auf Fahrzeug- Anwendungen übertragen werden, wie z.B. Straßenbahnen, Stadtbusse oder alle anderen Anwendungen mit Ultrakondensatoren. Entsprechende Untersuchungen der ISE Corporation [1] mit Hybrid-Bussen zeigen, dass eine Kombination der beiden Speicher bei Fahrzyklen im hügeligen Gelände oder mit höheren Start-Stopp- Anteilen kostengünstiger ist als ein System, das nur Akkus allein nutzt.
- Aktiv-parallele Kombination
Bei der aktiv-parallelen Konfiguration werden die verschiedenen Spannungsniveaus der beiden Speicher mit Hilfe einer Leistungselektronik kombiniert (Bild 5 rechts). Ein solches Zweispannungsbordnetz ist zwar komplexer als die traditionelle Verkabelung, jedoch überwiegen die Vorteile, wie z.B. Bordnetze mit variabler Spannung.
- Ultrakondensatoren plus Akkumulatoren
- Maximale Leistung
- Lebensdauer und Zyklenfestigkeit
