Wartungsfreie Energiespeicher

Unterbrechungsfreie Stromversorgung mit Supercaps

12. Januar 2018, 11:08 Uhr | Von Apostolos Baltos

Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Qualifizierung von Supercaps für DC-USV-Systeme

Bei der Auswahl und Qualifizierung passender Doppelschicht-Kondensatoren (Supercaps) als Energiespeicher für DC-USV-Systeme bedarf es detaillierter Analysen – insbesondere hinsichtlich des Langzeitverhaltens im 24/7-Dauerbetrieb und unter erhöhten Arbeitstemperaturen. Die erhobenen Daten dienen zur Validierung von Sicherheitsaspekten, Qualität, Lebensdauer und Performance der Superkondensatoren und somit der Zuverlässigkeit des DC-USV-Systems.

Zwei Langzeitindikatoren von Supercaps sind die Erhöhung des ESR (Equivalent Serial Resistor) oder Innenwiderstandes Ri und die Verringerung der Kapazität C. Hierzu werden zunächst die im Datenblatt genannten Angaben des Herstellers messtechnisch verifiziert und im Rahmen umfangreicher Belastungs- und Lifetime-Tests fortlaufend aktualisiert ermittelt.

Für die Bestimmung von Kapazität und Innenwiderstand des Superkondensators kommt im Labor die sogenannte Konstantstrom-Methode zum Einsatz. Das Verfahren beruht vereinfacht gesagt darauf, die Eigenschaften der Kondensatoren bei einem definierten Stromwert zu messen, der eine Lade- und Entladeeffizienz von ca. 95 % ermöglicht. Die Verhältnisse für die Testströme ergeben sich wie folgt.

Laden des Supercaps auf den Nominalspannungswert UR:

$I subscript L a d e n space end subscript equals fraction numerator U subscript R over denominator 38 times R subscript i end fraction$

Entladung des Supercaps über eine Last mit einem konstanten Entladestrom:

$I subscript E n t l a d e n space end subscript equals fraction numerator U subscript R over denominator 40 times R subscript i end fraction$

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Bild 2 zeigt die mit einem Oszilloskop aufgenommene Spannungsentladekurve des Kondensators, im Beispiel ein 50-F-Modell. Mit Hilfe des stromabhängigen Spannungsabfalls (50,7 mV) zu Beginn des Entladevorganges über den ESR des Kondensators lässt sich der aktuelle bzw. tatsächliche Innenwiderstand wie folgt berechnen:

$R subscript 1 equals fraction numerator increment union over denominator I subscript E n t l a d e n end subscript end fraction equals fraction numerator 50 comma 7 space m V over denominator 3 comma 5 space A end fraction space equals space 14 comma 5 space m Ω$

Die aktuelle bzw. tatsächliche Kapazität des Kondensators lässt sich ebenfalls mit Hilfe des Oszilloskops ermitteln. Aus dem konstanten Entladestrom – in unserem Beispiel 3,50 A – und der gemessenen Entladezeit (4,76 s) sowie des entsprechenden Spannungsabfalls an der Kapazität bis zum Abwurf der Last berechnet man:

$C space equals thin space fraction numerator I subscript E n t l a d e n end subscript times increment t over denominator increment union end fraction equals fraction numerator 3 comma 5 space A times 4 comma 76 space s over denominator 0 comma 307 space V end fraction equals space 54 comma 3 space F$

Die Konstantstrom-Methode bietet dem Entwickler ein unkompliziertes und effektives Instrument zur Erstellung aussagekräftiger Messwertetabellen im Rahmen der Qualifizierung von Supercaps. Einerseits lassen sich Herstellerangaben für die Superkondensatoren schnell überprüfen und andererseits Bewertungen der Lebensdauer von Supercaps im Rahmen von Belastungstestreihen vornehmen.

Supercaps in der praktischen Anwendung

Anhand der beiden Supercap-USV-Systeme UPSIC-1205 (12 VDC/5 A) bzw. UPSIC-2403 (24 VDC/3 A) von Bicker Elektronik sollen die praktischen Aspekte für den Einsatz von Doppelschicht-Kondensatoren veranschaulicht werden. Ausgestattet mit vier 100-F-Supercaps sind die DC-USV-Module in maximal 60 s voll beladen und versorgen bei Stromausfall angeschlossene DC-Verbraucher sicher mit Strom.

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

Lebensdauer und Temperaturbereich

Obgleich die Temperaturfestigkeit und Lebensdauer von Doppelschicht-Kondensatoren im Vergleich zu anderen Energiespeichern besonders hoch ist, verändern sich im Laufe der Lebenszeit Kapazität und Innenwiderstand. Das Ende der Lebensdauer eines Supercaps ist erreicht, wenn die Kapazität auf 70 % des ursprünglichen Wertes sinkt oder der Innenwiderstand sich verdoppelt.

Die effektive Lebensdauer hängt 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 Volt und einer Kapazität von 100 F pro Kondensator.

Diese Reihenschaltung ist notwendig, um entsprechend höhere Modulspannungen erzeugen zu können, die mit Hilfe nachgeschalteter Spannungswandler an den Ausgängen konstant gehalten werden.

Das Diagramm in Bild 3 zeigt den direkten Zusammenhang von Temperatur und Lebensdauer bei unterschiedlichen Zellspannungen. Minus-Temperaturen 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. Das wird jedoch durch die resultierende Wärmeentwicklung im Supercap schnell wieder ausgeglichen.