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Superkondensatoren ersetzen Akkus

Vom Adjutanten zum Königsmörder

16. März 2020, 8:00 Uhr | Felix Corbett, TTI

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Anwendungen und Auswahl von Superkondensatoren

Viele Anwendungen können vom Einsatz von Superkondensatoren profitieren, von der Impulsleistung für Funktransceiver bis hin zu Überbrückungs-Subsystemen. In einem Beispiel muss ein Smart Meter im Falle einer Unterbrechung der 230-V-Netzversorgung eine Dying-Gasp-Meldung ausgeben (Bild 4). Dies geschieht über ein Funkmodul unter Verwendung der in einer Superkondensatorbank gespeicherten Energie.

Ein weiteres Beispiel ist eine dreiphasige statische unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV), die kürzlich in einer Druckerei in Estland installiert wurde. Dabei wird eine Superkondensatorplatine mit 600 F verwendet, die zwanzig Sekunden lang bis zu 60 kW liefert, um ein Datensystem bei Stromausfall sicher abzuschalten. Es lässt sich auch einsetzen, um Spannungsabfälle und kleinen Stromunterbrechungen auszugleichen.

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Superkondensatoren eignen sich als Energiespeicher für regenerative Bremssysteme in Elektroautos oder Gabelstaplern. Die Energie direkt in einem Akku zu speichern führt zu Problemen beim Laden und kann die Lebensdauer des Akkus herabsetzen, weshalb stattdessen ein Superkondensator verwendet wird. Dieser hat eine wesentlich längere Lebensdauer, und die aufgenommene Energie kann leicht dann vom elektrischen Subsystem im Fahrzeug beispielsweise für den Start-Stopp-Betrieb verwendet werden. Hybrid-Busse in London etwa verwenden AECQ-qualifizierte Superkondensatoren, um Bremsenergie zu speichern und wieder freizusetzen; dadurch tragen sie zur Effizienz des Hybridantriebs in einem 48-V-Antriebsstrang bei. Eine Parallelschaltung gewährleistet die erforderliche Kapazität für die Fahrzyklen.

In einigen Anwendungen ersetzen Superkondensatoren Akkus sogar vollständig, zum Beispiel in Bussen auf dichten Stadtverkehrsstrecken in der Schweiz. Die Superkondensatoren laden sich an jeder Haltestelle in Sekunden wieder auf und sparen durch den Ersatz der Batterie erheblich Gewicht und damit Kosten ein.

Auswahl von Superkondensatoren

Schlüsselfaktoren bei der Spezifikation eines Superkondensators sind der Betriebstemperaturbereich, die Betriebsspannung, der Spitzenstrom und wie lange er zur Verfügung stehen muss. Dies lässt sich aus den Gleichungen (1) bis (3) ableiten, wobei ΔU die Abschaltspannung, I der Spitzenstrom und Δt die erforderliche Dauer des Energieimpulses ist. Der äquivalente Serienwiderstand (ESR) und der Leckstrom (LC) sind ebenfalls wichtige Parameter. Der ESR kann sich über die Lebensdauer des Superkondensators verdoppeln, und die Nennkapazität kann um 30 % sinken.

Wie bei allen elektronischen Komponenten verdoppelt sich auch die Lebensdauer des Superkondensators mit jeden 10 K weniger an Betriebstemperatur. Gleiches gilt für jede 0,1 V bis 0,2 V, um die die Betriebsspannung abnimmt. Damit bestimmt die Systemspezifikation auch direkt dessen Zuverlässigkeit.

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Durch die schnelle Aufladung eignen sich Superkondensatoren für viele Anwendungen. Aufgrund ihrer linearen Entladung müssen sie jedoch sorgfältig dimensioniert werden. Sie können Akkus teilweise vollständig ersetzen oder auch mit ihnen zusammenarbeiten, um den Spitzenleistungsbedarf einer Vielzahl von akkubetriebenen Anwendungen zu decken. Dies verlängert die Lebensdauer des Akkus und spart Platz und Kosten, da der Akku nicht überdimensioniert werden muss. Innovation beim Elektrodendesign bedeutet, dass die Energiedichte immer weiter zunimmt, mehr Leistung bei kleineren Formfaktoren liefert und die Spannung steigt. Die Zukunft für Superkondensatoren ist vielversprechend, denn ihre Leistung nimmt zu.