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SuperCaps für die Medizintechnik

Kompakte und wartungsfreie DC-USV

3. Juli 2017, 13:08 Uhr | Apostolos Baltos

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

SuperCaps in der praktischen Anwendung

Anhand der beiden SuperCap-USV-Systeme »UPSIC-1205« (12 V(DC)/5 A) bzw. »UPSIC-2403« (24 V(DC)/3 A) von Bicker Elektronik werden die praktischen Aspekte für den Betrieb von Doppelschicht-Kondensatoren veranschaulicht. Ausgestattet mit SuperCaps von 4 × 100 F sind die DC-USV-Module in maximal 60 s vollgeladen und versorgen bei Stromausfall beispielsweise ein Computersystem mit Mini-ITX-Mainboard, Low-Power Atom-Prozessor, DDR3-RAM und mSATA-Speicher für mehr als 100 s oder lassen einzelne DC-Motoren in Robotik- und Laboranwendungen sicher und kontrolliert in eine definierte Position fahren.

Die Kombination aus Kommunikationsschnittstelle und maßgeschneiderter USV-Software (Bild 2) ermöglicht die externe Steuerung aller wichtigen USV-Funktionen und -Parameter sowie das kontrollierte herunterfahren (Shut-Down) des Systems.

Aufgrund der kompakten Abmessungen bei gleichzeitig hoher Leistungsdichte und der entsprechenden Interface-Ausstattung ist die Integration derartiger USV-Lösungen in eine Vielzahl sensibler Applikationen denkbar. Bei der Be- und Entladung sowie der Beschaltung von Doppelschicht-Kondensatoren gilt es allerdings, einige wichtige Aspekte in der Praxis zu beachten.

Lebensdauer und Temperaturbereich

Obgleich die Temperaturfestigkeit und Lebensdauer von Doppelschicht-Kondensatoren im Vergleich zu anderen Energiespeichern besonders hoch ist, verändert sich im Laufe der Lebenszeit deren Kapazität (C) und Innenwiderstand (ESR – Equivalent Serial Resistor). Das Ende der Lebensdauer eines SuperCaps ist erreicht, wenn – im Vergleich zu den ursprünglichen Werten – die Kapazität auf 70 % sinkt oder der Innenwiderstand auf 200 % steigt. Hierbei hängt die effektive Lebensdauer entscheidend von der Umgebungstemperatur, der Zellspannung und den Lade-/Entladeströmen ab. Die vorgestellten USV-Module der UPSIC-Serie verwenden jeweils vier in Reihe geschaltete SuperCaps mit einer nominellen Zellspannung von je 3,0 V und einer Kapazität von 100 F pro Kondensator. Diese Reihenschaltung ist notwendig, um entsprechend höhere Modulspannungen erzeugen zu können, welche mit Hilfe nachgeschalteter Spannungswandler an den Ausgängen konstant gehalten werden.

Das Diagramm in Bild 3 zeigt den Zusammenhang von Temperatur und Lebensdauer bei unterschiedlichen Zellspannungen. Temperaturen unter 0 °C bereiten den SuperCaps – im Gegensatz zu Standard-Blei-Gel-Batterien – keine allzu großen Probleme, obgleich der Innenwiderstand bei niedrigen Temperaturen aufgrund der verminderten Ionenbeweglichkeit im Elektrolyt ansteigt, dies jedoch durch die resultierende Wärmeentwicklung im SuperCap wieder ausgeglichen wird. Hohe Temperaturen beeinflussen allerdings die Lebensdauer negativ. Analog zu anderen Elektronik-Komponenten gilt auch hier die Faustregel, dass eine Betriebstemperatur-Erhöhung um 10 °C eine Halbierung der Lebensdauer nach sich zieht. Wie das Diagramm in Bild 3 weiter zeigt, lässt sich bei SuperCaps durch Reduzierung der Zellspannung um circa 0,2 V pro 10 °C Temperaturerhöhung der Verkürzung der Lebensdauer aktiv entgegenwirken.

Optimale Zellspannung

Bei der Dimensionierung der UPSIC-Serie haben sich die Entwicklungsingenieure bei Bicker für eine ausgewogene Lösung mit einer reduzierten Zellspannung von 2,6 V (nominell 3,0 V) pro SuperCap entschieden, um den langjährigen Betrieb im definierten Betriebstemperaturbereich der USV-Module zu gewährleisten. Da jedoch die gespeicherte Energiemenge im Kondensator abhängig von der Zellspannung im Quadrat zu- oder abnimmt (W = 0,5 C U2), gilt es, die Reduzierung der Zellspannung genau abzuwägen. Zumal sich die nutzbare Energiemenge weiter reduziert, weil die SuperCaps in der Praxis nur bis zu einer minimalen Spannung Umin von ca. 1,0 V entladen werden, da bereits beim Absinken der Kondensator-Nennspannung Umax auf die Hälfte ihres Wertes rund 75 % der gespeicherten Energie abgegeben wurde. Eine Tiefentladung unterhalb von Umin ist somit technisch nicht sinnvoll, obgleich eine vollständige Entladung den SuperCaps keinen Schaden zufügen würde. Es steht somit die effektive Energiemenge Weffektiv = 0,5 C (U2max – U2min) für die Applikation zur Verfügung.