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Ultrakondensatoren

Besonders robuste Energiespeicher

26. Oktober 2016, 15:34 Uhr | Von Wolf-Dieter Roth

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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Serien- und Parallelschaltungen als Booster

Um höhere Betriebsspannungen zu erreichen, werden Ultrakondensatoren in Serie geschaltet. Dabei ist die Spannungsaufteilung zu beachten:

Einerseits fällt bei Kapazitätstoleranzen am größeren Ultrakondensator die kleinere Spannung ab, während der kleinere eventuell überlastet wird. Ohne weitere Vorkehrungen reduziert dies dessen Lebensdauer und Kapazität, womit die Überlastung weiter ansteigt und das Array schließlich deutlich an Performance verliert.
Andererseits sind auch die statischen Leckströme von Ultrakondensatoren zwar gering, aber ebenso unterschiedlich. Auch hierdurch kann sich eine Schieflage der Spannungsaufteilung ergeben.

Mit passiven oder aktiven Balancierungs-Lösungen ist hier Abhilfe zu schaffen und die Spannungsaufteilung zu symmetrieren. Passive Lösungen sind zu den Ultrakondensatoren parallelgeschaltete Widerstände, die deutlich geringer als die Leckwiderstände der Kondensatoren sein müssen. Diese Lösung ist preisgünstig und zuverlässig, erhöht aber die Leckströme. Aktive Lösungen schalten erst dann einen Bypass am Ultrakondensator vorbei, wenn dessen zulässige Betriebsspannung erreicht wird.

Ultrakondensator-Module von Maxwell enthalten bereits eine passend bemessene Symmetrierungs-Lösung. Ebenso bietet der Hersteller geeignete montagefertige Baugruppen für Kunden an, die sich eigene Arrays zusammenbauen wollen.

Auch die für höhere Array-Spannungen relevanten Kriechstrecken sind zu beachten – insbesondere bei Eigenkonstruktionen. Fertige Module von Maxwell halten selbstverständlich die notwendigen Sicherheitsabstände ein.

Herstellung der Elektroden

Weil der Ultrakondensatoren-Markt so attraktiv ist, tummeln sich hier viele Anbieter mit mitunter gemischter Qualität. Ja sogar der Selbstbau eines Superkondensators aus Haushaltsutensilien wird auf Youtube beschrieben (youtu.be/gTt_YBzJ_Dk) – allerdings mit einem extrem aggressiven Rohrreiniger (Natrium- oder Kaliumhydroxid bzw. Kalilauge) als Elektrolyt sowie mit gerade mal 1,2 V maximaler Betriebsspannung und ohne Überdruckschutz.

Qualitative Unterschiede bei Ultrakondensatoren sind oft durch die Kohle-Elektroden bedingt. Deren Fläche bestimmt die Kapazität, und fast alle industriellen Hersteller erreichen bei einem gegebenen Volumen inzwischen vergleichbare Werte. Trotz alledem gibt es unterschiedliche Herstellungsprozesse, welche sich auf die Stabilität auswirken. Nassprozesse, bei denen die Aktivkohle zunächst gelöst aufgesprüht wird und dann erst beim Trocknen ihre poröse Struktur entwickelt, führen zu instabileren Elektroden. In mobilen Anwendungen, insbesondere in der Nähe vibrierender Aggregate wie Motoren oder von der Fahrt durchgeschüttelten Montageorten im Fahrzeug, können diese schnell zerbröseln und so versagen.

Der Trockenprozess von Maxwell ist hier vorteilhaft, und auch das Grundgerüst ist besonders robust angelegt. All dies wird vom Hersteller als Durablue-Technologie bezeichnet: Sie ist besonders robust sowohl gegenüber einzelnen Stößen als auch gegenüber kontinuierlichen Schwingungen und Vibrationen.

Stand der Technik

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Die neuesten Einzelzellen der K2-Serie von Maxwell Technologies können mit bis zu 3 V geladen werden – im Vergleich zu 2,5 V, 2,7 V und 2,85 V bei älteren Modellen und anderen Herstellern. Das Modell BCAP3000 mit 3000 F und 3 V speichert 3,75 Wh Energie bei einem Ruhestrom von maximal 12 mA, Arbeitstemperaturen von –40 bis +65 °C und bis zu einer Million Lade- und Entladezyklen. Die Spitzenstrombelastbarkeit geht bei einem maximalen ESR von 0,27 mΩ bis weit in den vierstelligen Bereich. Dabei wiegt die Zelle nur 520 g (Bild 4).

Soweit der heute aktuelle Stand der Technik, der noch lange nicht das Ende der Entwicklung darstellt. Festzuhalten bleibt, dass die technische Reife der Ultrakondensatoren bereits heute ein hohes Niverau erreicht hat und diese so praxiserprobt sind, dass sie gerade in anspruchsvollen, rauen Umgebungen zuverlässig eingesetzt werden können. Sie können zudem Batterien und Akkus unterstützen oder sogar ganz ablösen.

Die geringere Kapazität gegenüber Batterien ist dabei oft gar kein Problem, weil der verfügbare Entladestrom für die Applikation bestimmend ist und nicht die entnehmbare Gesamtkapazität. So werden schnurlose Werkzeuge ja regelmäßig abgelegt und nicht stundenlang kontinuierlich in der Hand gehalten. In diesen Ruhephasen können sie bereits wieder komplett aufgeladen werden, weil dies bei Ultrakondensatoren nicht Stunden, sondern Sekunden dauert. Zudem werden Ultrakondensatoren nicht durch hohe Entladeströme gestresst. So können sie sogar Anwendungen bedienen, in denen bislang noch an den – aus Umweltgründen inzwischen unerwünschten – NiCd-Akkus festgehalten wurde, weil NiMh- und Lithium-Akkus geringere Spitzenströme liefern.