Wartungsfreie Energiespeicher

Unterbrechungsfreie Stromversorgung mit Supercaps

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

Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Optimale Zellspannung

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 Bild 3 weiter zeigt, lässt sich bei Supercaps durch Reduzierung der Zellspannung um ca. 0,2 V pro 10 °C Temperaturerhöhung der Verkürzung der Lebensdauer aktiv entgegenwirken.

Bei der Dimensionierung der UPSIC-Serie haben sich die Entwicklungsingenieure bei Bicker Elektronik 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 sicherzustellen.

Da jedoch die gespeicherte Energiemenge im Kondensator abhängig von der Zellspannung im Quadrat zu- oder abnimmt (E = 0,5 × CU2), gilt es die Reduzierung der Zellspannung genau abzuwägen. Zumal sich die nutzbare Energiemenge weiter reduziert, da 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-Spannung auf die Hälfte der Nennspannung Umax rund 75 % der gespeicherten Energie abgegeben wurden.

Eine Tiefenentladung unterhalb von Umin ist somit technisch nicht sinnvoll, obgleich eine vollständige Entladung den Supercaps keinen Schaden zufügen würde. Es steht somit die effektive Energiemenge

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für die Applikation zur Verfügung.

 

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Hohe Stromstärken und flexibles Zellen-Balancing

Doppelschicht-Kondensatoren verfügen über eine hohe Leistungsdichte, das heißt, sie können mit hohen Strömen be- und entladen werden. Dadurch lassen sich kurze Ladezeiten und hohe Spitzen-Ausgangsleistungen erreichen.

Bei den UPSIC-USV-Lösungen sorgt das intelligente Power-Sharing am Eingang dafür, dass die vorgeschaltete AC/DC-Stromversorgung nicht überdimensioniert werden muss, sondern die Eingangsleistung konstant gehalten und entsprechend angepasst auf Last und Supercap-Lader verteilt wird.

Bei geringer Last am Ausgang fließt mehr Energie in den Supercap-Lader und umgekehrt. Entsprechend hohe Ladeströme werden mit einem aktiven Shunting – einer speziellen Form des Balancings – bereits während des Ladevorgangs gleichmäßig auf die einzelnen Supercap-Zellen verteilt.

Dieser Ladungsausgleich ist bei Reihenschaltung von Supercaps zwingend notwendig, da aufgrund produktionstechnisch bedingter Unterschiede in Kapazität und Innenwiderstand die einzelnen Zellen unterschiedliche Zellspannungen aufweisen und somit entsprechende Ausgleichsströme zwischen den einzelnen Supercaps fließen würden. Bicker Elektronik setzt je nach Applikation auch auf das passive Balancing, das beispielsweise für die extern angeschlossenen Batteriepacks der UPSI-XXXX-Serie eingesetzt wird.

Energiespeicher-Technologien unter wirtschaftlichen Aspekten

Obgleich die schnellen Supercaps wie dargestellt beeindruckende Eigenschaften und Einsatzmöglichkeiten für die unterbrechungsfreie Stromversorgung bieten, gilt es bei der Gesamtkonzeption eines Systems immer nach wirtschaftlichen und technologischen Aspekten das optimale Energiespeicher-System auszuwählen. Hierbei sind zunächst die Unterschiede der Energiedichten (in Wh/kg) und Leistungsdichten (in W/kg) von Bedeutung (siehe Bild 4).

Vergleich von Leistungs- und Energiedichte verschiedener Energiespeicher
Bild 4. Vergleich von Leistungs- und Energiedichte verschiedener Energiespeicher.
© Bicker Elektronik

Werden große Energiedichten und lange Überbrückungszeiten benötigt, lässt sich das mit Doppelschicht-Kondensatoren unter Umständen nicht mehr wirtschaftlich sinnvoll lösen (großes Batteriepack-Volumen, hohe Kosten etc.).

Daher bietet Bicker Elektronik neben den kompakten Supercap-USVs auch weitere Lösungen mit externen Batteriepacks auf Basis von Lithium-Eisenphosphat (LiFePO4) oder extrem robusten Cyclon-Reinblei-Batteriezellen an. Darüber hinaus stehen Batteriepacks mit Hybrid-Energiespeichern zur Verfügung, die verkürzt gesagt die Vorteile von Batterien und Supercaps vereinen.

 Vergleich unterschiedlicher Energiespeicher für die UPSI-XXXX-Serie anhand der Überbrückungszeit und mittleren Leistungsentnahme
Bild 5. Vergleich unterschiedlicher Energiespeicher für die UPSI-XXXX-Serie anhand der Überbrückungszeit und mittleren Leistungsentnahme.
© Bicker Elektronik

Sie weisen eine deutlich höhere Lebensdauer als Li-Ionen- oder Blei-Akkus auf und haben eine ausgewogene Zusammenstellung aus Energie- und Leistungsdichte.

Die UPSI-XXXX-Serie von Bicker Elektronik bietet hierfür ein modulares USV- System mit umfangreicher Hard- und Softwarefunktionalität für die flexible Konfiguration mit unterschiedlichen und zukunftsweisenden Energiespeicher-Technologien (siehe Bild 5).

Ein überdimensioniertes oder falsch ausgelegtes USV- und Stromver-sorgungssystem kann unnötig hohe Kosten verursachen. Um letztlich die richtige Entscheidung zu treffen, ist eine fundierte Applikationsanalyse und eine individuelle Design-in-Beratung hinsichtlich der Stromversorgungs- und USV-Einbindung unabdingbar.

 

Der Autor

Apostolos Baltos von Bicker Elektronik
Apostolos Baltos von Bicker Elektronik
© Bicker Elektronik

Apostolos Baltos

ist Entwicklungsingenieur bei Bicker Elektronik in Donauwörth.
info@bicker.de

 


  1. Unterbrechungsfreie Stromversorgung mit Supercaps
  2. Qualifizierung von Supercaps für DC-USV-Systeme
  3. Optimale Zellspannung

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