Doppelschichtkondensatoren Unterstützung für die Batterie

Bei der immer kleiner und funktionsreicher werdenden mobilen Elektronik kommt die Stromversorgung in Form einer Batterie oder eines Akkus oft an ihre Grenzen. Dies gilt im Besonderen, wenn kurzzeitig hohe Ströme nötig sind, beispielsweise fürs Blitzlicht. Die Batterie für diesen Spitzenstrom auszulegen, ist wegen des Platzmangels oft kein gangbarer Weg. Doppelschichtkondensatoren können Abhilfe bieten.

Kleiner, ästhetischer, funktionsreicher - dies sind die Megatrends bei der Unterhaltungselektronik, aber auch in den meisten anderen Bereichen der Elektronik. Diese Entwicklungen treiben Neuerungen in der gesamten Elektronikindustrie voran. Die Designanforderungen hinsichtlich der Stromquelle beziehen sich dabei aber stets auf grundlegende Physik.

Die Batterie für ein tragbares Gerät wird aufgrund der Funktion ausgewählt, die sie unterstützen muss. Ob nun 300 mAh, 600 mAh oder sogar 1000 mAh bereitstehen müssen - es gibt eine Obergrenze für den maximalen Strom, den eine einzelne Batterie bereitstellen kann. Dies beeinflusst den Funktionsumfang des zu entwickelnden Geräts. Natürlich gibt es Lösungen zur Abhilfe, sie sind aber nicht einfach, nicht elegant und erfordern Platz.

Dies ist in tragbaren Geräten aber sicher nicht erwünscht. Meist brauchen sie die höhere Leistung nur kurzfristig, beispielsweise zum Starten eines Motors. Ein anderer Bereich ist das LED-Blitzlicht in Smartphones oder digitalen Kompaktkameras anstelle eines Xenon-Blitzes. Den erforderlichen Strom kann hier die Batterie alleine nicht bereitstellen, da ein höherer Strom als der normale Batteriestrom erforderlich ist.

Werden zum Beispiel zwei LEDs zur Blitzlichtfunktion in einem Mobiltelefon eingesetzt, sind für eine Zeit von 33 ms bis 40 ms etwa 2 A bis 4 A erforderlich. Eine herkömmliche Batterie kann dies nicht leisten. Entwickler müssen sich daher überlegen, wie sie das Blitzlicht mit Strom versorgen. Eine Möglichkeit ist der Einsatz zweier Batterien, was niemand wirklich in Betracht zieht, da Batterien teuer sind und den Formfaktor des Geräts verändern. Und etwas mehr an Spitzenstrom für eine feste Funktion rechtfertigt nicht gleich eine zweite Batterie.

Welche Lösung bietet sich nun an? Jüngste Fortschritte in der Kondensator-Technologie könnten eine Stromquelle für Spitzenleistungsbedarf ermöglichen. Doppelschichtkondensatoren, auch »Electrical Double-Layer Capacitors« (EDLC) oder »SuperCaps« genannt, sind im wesentlichen Energiespeicher. Im Gegensatz zu herkömmlichen oder fortschrittlichen Batterien bietet ein EDLC eine hohe Leistungsdichte und eine wesentlich längere Lebensdauer.

Bei ihrer Markteinführung kamen diese Bauteile meist in Low-Power-Anwendungen wie dem Speicher-Backup zum Einsatz. Neuerungen in den Bereichen Elektrochemie und Gehäusetechnik haben nun deren Leistungsfähigkeit wesentlich verbessert, während gleichzeitig die Gehäusegröße verringert werden konnte. Ein solcher Baustein ist Muratas »EDLED« (Electrical Double-Layer Energy Device). Er bietet einen 2,75-V-Ausgang, eine flexible Entladung von 500 µAh bis 2 As und misst 18,5 mm x 20,5 mm.

Am wichtigsten ist, dass so ein Baustein einen sehr geringen äquivalenten Serienwiderstand (ESR) aufweist, was SuperCaps interessant für unterstützende Stromversorgungsfunktionen in kleinen Formfaktoren macht. Ein EDLC speichert elektrische Ladung in einer doppelten Schicht, die auftritt, wenn ein Feststoff mit einer Flüssigkeit in Kontakt kommt.

Bild 1 beschreibt den Aufbau eines EDLC, bestehend aus einem Separator, Elektrolyt, Aktivkohle und Stromkollektor. Als Elektrodenmaterial kommt fast immer Aktivkohle zum Einsatz, da sich aufgrund der sehr großen spezifischen Oberfläche und relativ geringen Kosten sehr hohe Kapazitäten in einem kleinen Gehäuse erzielen lassen.

Da keine chemischen Reaktionen stattfinden, kann ein EDLC auch eine sehr hohe Lebensdauer erreichen.

Dimensionierung des EDLC

Nach der Entscheidung, dass ein EDLC eine mögliche Energiequelle für einen kurzzeitigen Spitzenleistungsbedarf darstellt, muss der Entwickler die entscheidende Frage beantworten, wie lange diese Spitzenleistung zur Verfügung stehen soll. Bei einer Dauer bis zu 500 ms können ein oder mehrere EDLCs zum Einsatz kommen. Um die genaue Kapazität des EDLCs und die Anzahl erforderlicher Zellen bestimmen zu können, müssen einige Faktoren berücksichtigt werden. Dazu zählen die maximale und minimale Betriebsspannung des Geräts, der Durchschnittsstrom, der Spitzenstrom, die Umgebungs- beziehungsweise Betriebstemperatur, die Zeitdauer des Spitzenenergiebedarfs und schließlich noch die zu erwartende Lebensdauer des Geräts.

Bild 2 zeigt das Entladungsprofil mit einem konstanten Strom. Die notwendige Kapazität des EDLEDs berechnet sich demnach aus: C = I · dt/dV, wobei I der fließende Strom, dt die Länge des Impulsstromes ist und dV der maximale Spannungsabfall über die Zeit des Impulses sind. Wichtig: Aus diesem Spannungsabfall muss man den IR-Abfall (I · ESR) herausrechnen.

Mit Muratas EDLED-SingleCell-Baustein ist dabei eine Spitzenbetriebsspannung von 2,75 V möglich. 5 V lassen sich mit einem DualCell-Baustein erzielen. In Anwendungen, die eine höhere Betriebsspannung erfordern, müssen mehrere Bausteine in Serie verwendet werden, was allerdings den ESR-Wert erhöht.

Alternativ lassen sich die Zellen auch parallel anordnen, was die Kapazität erhöht und den zusätzlichen Vorteil eines geringeren ESR-Werts mit sich bringt.

EDLCs können auch in zahlreichen anderen Anwendungen zum Einsatz kommen, so zum Beispiel in POS-Terminals (Point of Sales) zur bargeldlosen Zahlung. Diese tragbaren Geräte müssen bis zu drei Mal am Tag wieder aufgeladen werden, je nach Dauer ihres Einsatzes. Im Sinne ihrer Gesamtenergiespeicherung erfüllen die Batterien in diesen Geräten also nicht die Erwartungen an das Energieverbrauchsprofil. Mit EDLCs lassen sich leistungseffizientere Designs und somit weniger Ladezyklen erzielen.

Über den Autor:

Markus Huschens ist New Business Research Manager bei Murata Electronics Europe.