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Superkondensatoren

Unbekannte Kapazitätsriesen

16. Oktober 2013, 11:01 Uhr | Von Wolf-Dieter Roth

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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Berechnen von Superkondensator-Arrays

Das Ende der Lebensdauer eines Superkondensators wird mit einem Kapazitätsverlust auf 70 % und/oder einem Anstieg des ESR auf 200 % definiert. Eine Schaltung, die mit einem Superkondensator-Array eine bestimmte Versorgungsspannung und Kapazität zur Verfügung stellen soll, ist entsprechend mit Reserve zu dimensionieren: Ist eine Entladung binnen Sekunden geplant und nicht binnen Stunden, so wird der Innenwiderstand für einen Spannungsabfall sorgen, der durch entsprechend höhere Ladespannung und mehrere in Serie geschaltete Superkondensatoren kompensiert werden muss.

Dies wiederum reduziert aufgrund der Serienschaltung die Kapazität. Eine korrekte Dimensionierung der einzelnen Kondensatorzellen wird als Folge mit „Lebensende“-Parametern berechnet und nicht mit den Parametern eines fabrikneuen Superkondensators. Nur dann ist der langfristige Betrieb der Schaltung innerhalb ihrer Sollwerte gesichert. Als Faustregel gilt zudem: Die Lebensdauer eines Superkondensators vergrößert sich um den Faktor 2,2, wenn:

die Betriebsspannung um 0,2 V reduziert wird, die
Umgebungstemperatur um 10 K sinkt.

Sind also besonders lange Laufzeiten gefragt, so ist ein Betrieb bei reduzierter Spannung und nicht zu hohen Temperaturen hilfreich. Überspannungen dagegen sind ebenso wie Verpolung strikt zu vermeiden, da sie - wie beim Elko - zum Zersetzen des Elektrolyts und Ausgasen des Kondensators führen.

Bei einem Einsatz in weiten Temperaturbereichen ist noch zu berücksichtigen, dass der ESR unter 0 °C deutlich ansteigt, während die Kapazität leicht sinkt (Bild 3), jedoch nicht in dem bei Akkumulatoren üblichen Maß.

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Applikationen für Super-Caps

Das Anwendungsspektrum lässt sich in 4 Gebiete aufteilen (Bild 5):

Klasse 1: Charakterisiert durch geringere Kapazitäten sowie langsame Entladung. Dieser Typ dient dem Speichererhalt und Versorgung von Echtzeituhren-Chips bei Stromausfall. Sie erreichen 0,1 bis1 F Speicherkapazität und niedrige Leckstromwerte. Typische Vertreter dieser Klasse sind die Powerstor-B-, -HB- und -K-Serien sowie SPSCAP-SCV-Serien.

Klasse 2: Gekennzeichnet durch geringere bis mittlere Kapazitäten sowie langsame Entladung. Verwendung finden sie bei Energiespeichern, Versorgung von Taschenlampen, Spielzeug, Notausgangskennzeichung, Elektrokleinwerkzeugen, Fahrradrücklichtern, Solarlampen und beim Herunterfahren von Maschinen bei Stromausfall. Sie decken Kapazitätswerte von 5 bis 400 F ab; typische Vertreter sind die Powerstor-XB- und -XV-Serien sowie SPSCAP-SCE-Serien.

Klasse 3: Ihr Markenzeichen sind hohe Kapazitäten und starke Entladung: Typische Applikationen sind E-Mobile (Energierückgewinnung, Starthilfe, Start-Stopp-Systeme), ferner Erneuerbare Energien (Windräder & Solar), Röntgengeräte und Baumaschinen. Ihre Speicherkapazität reicht von 100 bis 5.000 F; als Vertreter für diese Klasse gilt die SPSCAP-SCP-Serie.

Klasse 4: Sie erreichen geringe Kapazitäten, doch kurze Spitzenströme. Typische Kennwerte sind 1 bis 22 F und geringe ESR-Werte. Vertreter dieser Klasse sind die Powerstor-HV- und -M-Serien.

Die ersten Superkondensatoren fielen in Klasse 1, während als Klasse 3 jene Ausführungen gelten, welche für Fahrzeuge jeglicher Art eine Rolle spielen. Klasse-2-Typen sind kostengünstiger, wenn die extrem hohen Stromwerte von Klasse 3 nicht benötigt werden. Klasse-4-Ausführungen sind in der Praxis kaum vertreten.

Manche Anwendungen, wie der Einsatz in Windrädern, erschließen sich gar nicht auf Anhieb: Hier dienen Superkondensatoren unter anderem dazu, die Flügel bei Netzausfall schnell aus dem Wind drehen zu können, bevor sie beschädigt werden.

Andere naheliegende Anwendungen wurden bislang wegen der Alterung von Akkumulatoren nicht realisiert: beispielsweise Energierückgewinnung beim Betrieb von Aufzügen. Mit Superkondensatoren ist dies nun möglich.

Es sind auch Kombinationen verschiedener Einsatzmodi möglich - beispielsweise bei der Notstromversorgung, die zunächst eine Anlage mit hohem Strombedarf schnell herunterfahren und anschließend den Speicher-erhalt der Anlage über längere Zeiträume mit geringem Strombedarf sicherstellen soll. Gegenüber einer normalen, batteriegestützten USV entfällt bei Verwendung von Superkondensatoren die Wartung mit regelmäßigem Austausch der Batterien, und die Temperaturabhängigkeit der Anlage ist wesentlich geringer. Dies ist in Verkehrsampeln, Rechenzentren, Telecom-Anlagen oder „einarmigen Banditen“ von großem Vorteil, wo ein Ausfall infolge von Stromnetzstörungen zwar keine Leben gefährdet, aber doch für großen Ärger sorgen kann. Zudem ist eine Superkondensator-USV nach Wiederkehr der Stromversorgung schnell wieder geladen und kann eine weitere Störung erneut abfangen.

Allgemein ist anzumerken, dass einige Parameter die Leistungsdichte erhöhen, andere dagegen die Energiedichte. Eine hohe Leistungsdichte ist für Anwendungen der Klasse 3 und 4 wichtig, eine hohe Energiedichte hingegen für Klasse 2 und 3. So sorgen beispielsweise porösere Aktivkohleoberflächen für eine höhere Speicherfähigkeit, doch die dadurch längeren Wege erhöhen den ESR und verringern so die Leistungsdichte des Kondensators.