Ausdauer oder Sprint? Batterien, Supercaps und die richtige Rolle im System

Warum es in realen Anwendungen selten eine einfache Entweder-oder-Entscheidung gibt und wie Hybridkonzepte helfen, Stromspitzen, Temperaturstress und Alterungseffekte dauerhaft beherrschbar zu machen.

Wenn ein Funkmodul im Feld alle paar Minuten kurz „auf Sendung“ geht, zählt jeder Milliohm Innenwiderstand. Wenn eine Steuerung bei Netzausfall Parameter sichern muss, entscheiden Sekunden – und ob der Puffer nach fünf Jahren noch genauso zuverlässig funktioniert wie am ersten Tag. Batterien und Superkondensatoren können beide dazu beitragen, die Versorgung stabil zu halten. Nur tun sie das auf völlig unterschiedliche Art. Wer diese Unterschiede früh sauber einordnet, vermeidet typische Feldprobleme: sporadische Resets, unerklärliche Ausfälle bei Kälte oder Backup-Puffer, die im Labor funktionieren und später „wie von selbst“ leer sind.

Im Mittelpunkt stehen reale Lastprofile, Spannungsfenster und bewährte Schaltungskonzepte – nicht Datenblattrekorde. Der Beitrag zeigt, worauf es bei der Auswahl in der Praxis ankommt: von Low-Power-IoT über Memory- und RTC-Backup bis zu harten Strompulsen in Industrieanwendungen und mobilen Systemen.

Zwei Speicher, zwei Physiken – und damit zwei Denkweisen

Batterien speichern Energie chemisch – damit sind sie unschlagbar, wenn lange Laufzeit zählt: hohe Energiedichte, geringe Selbstentladung (vor allem bei Primärzellen) und eine Entladekurve, die über weite Strecken ein nutzbares Spannungsniveau hält. Bei kleinen Zellen dominiert jedoch der Innenwiderstand – und damit der Spannungseinbruch unter Last. Lastspitzen werden schnell zum Problem, und Kälte verschärft den Effekt zusätzlich. Bei wiederaufladbaren Systemen kommt zyklische Alterung hinzu: Hohe Ströme, hohe Temperaturen und aggressive Ladeprofile reduzieren die Lebensdauer.

Superkondensatoren funktionieren anders. Sie speichern Energie überwiegend elektrostatisch und sind sehr gut darin, kurzfristig große Ströme bereitzustellen und schnell wieder nachzuladen. Das macht sie attraktiv für harte Pulse, häufige Lade-/Entladeereignisse und Kurzzeitpuffer. Gleichzeitig haben Supercaps klare Konsequenzen: Die Spannung sinkt kontinuierlich, und Leckströme begrenzen die Standzeit ohne Nachladung. Wird das nicht berücksichtigt, tritt ein typischer Effekt auf: Das System ist energieseitig richtig dimensioniert – scheitert aber an Mindestspannung, Inrush oder Selbstentladung.

Eine Logik statt Bauchgefühl: fünf Kriterien, die die Wahl fast automatisch machen

Erstes Kriterium ist die Zeitskala. Muss nur ein Spannungsdip überbrückt werden, ist ein Kurzzeitpuffer oft die eleganteste Lösung – hier spielt der Supercap seine Stärke aus. Geht es um Sekunden bis Minuten, wird es konzeptabhängig: Wird regelmäßig nachgeladen, kann ein Supercap oder ein hybrider Ansatz reichen. Sind längere Offline-Phasen realistisch, ist eine Batterie meist robuster. Sobald Stunden, Tage oder gar Jahre gefordert sind, führt an einer Batterie in der Regel kein Weg vorbei. In der Praxis lohnt es sich, nicht in „Kapazität“ zu denken, sondern in Energie über Zeit: Welche Leistung wird über welche Dauer benötigt – und bis zu welcher Mindestspannung darf die Elektronik arbeiten?

Zweitens entscheidet die Pulsbelastung. Viele reale Systeme sind nicht gleichmäßig, sondern impulsartig: Funkmodule, Motoranlauf, Aktuatoren, Wake-up-Spitzen von Prozessoren oder DC/DC-Wandlern. Genau hier passieren Feldfehler. Die Energiebilanz stimmt – aber die Spannung bricht beim Peak ein.

Ein Supercap kann solche Pulse abfangen, sofern er elektrisch nahe an der Last sitzt und der Strompfad nieder­impedant ausgeführt ist. Sind die Pulse selten und die Spannungsreserve groß, kann Battery-only trotzdem funktionieren. Der Unterschied: bewusst entscheiden – statt auf Glück im Feld zu setzen.

Drittens ist das Spannungsfenster entscheidend. Batterien sind in dieser Hinsicht komfortabel; Supercaps nicht. Wer eine Mindestspannung garantieren muss, kommt in vielen Fällen um eine saubere Wandlung (DC/DC) oder eine klare Unterspannungsstrategie nicht herum. Hier entscheidet sich, ob ein Design nur im Labor funktioniert – oder reproduzierbar im Feld.

Viertens kommt Temperatur ins Spiel – und zwar die echte Feldtemperatur, nicht die Laborluft.

Kälte erhöht bei Batterien den Innenwiderstand und verschärft Pulsprobleme. Supercaps bleiben grundsätzlich funktionsfähig, verlieren aber Performance über höheren ESR. Hitze beschleunigt die Alterung: bei Batterien chemisch, bei Supercaps über Kapazitätsverlust und steigenden ESR, besonders bei hoher anliegender Spannung. Wer auf Lebensdauer entwickelt, dimensioniert deshalb nicht für „neu bei 25 °C“, sondern für „gealtert am schlechten Tag“.

Fünftens ist Wartung ein Designparameter. Eine Batterie kann die richtige Wahl sein, ist aber typischerweise ein Verschleißteil im Produktleben. Supercaps altern anders: kaum zyklischer Verschleiß, dafür Kalenderalter, Leckstrom und Kapazitätsrückgang. Hybridkonzepte können Serviceintervalle verlängern, weil die Batterie weniger Spitzenstrom sieht und der Betrieb stabiler wird.

Bewährte Topologien: vier Muster aus der Praxis

Batterie-only ist oft die robusteste und günstigste Lösung – solange Pulsströme und Temperatur sauber im Griff sind. Kritisch wird es, wenn Lastspitzen im Pflichtenheft nicht sauber beschrieben wurden oder wenn Kältebedingungen unterschätzt werden.

Dann treten Resets, merkwürdige Messwerte oder „sporadische“ Ausfälle auf, die sich im Labor kaum reproduzieren lassen, weil dort die Randbedingungen zu freundlich sind.

Supercap-only ist kein Batterieersatz, sondern ein Kurzzeitpuffer, der regelmäßig nachgeladen werden muss. Das passt besonders dann, wenn kurze Überbrückungszeiten gefragt sind – etwa als Ride-through bei Netzeinbrüchen, als Puffer für definierte Aktionen oder in Energy-Harvesting-Systemen, die Energie langsam sammeln und dann in einem kurzen Burst bereitstellen. Voraussetzung ist ein definierter Ladepfad, insbesondere eine Begrenzung des Einschaltstroms, sowie ein Konzept, wie die Elektronik mit fallender Spannung umgeht.

Sehr häufig ist ein Hybrid parallel der pragmatischste Schritt: Ein Supercap puffert Pulse, die Batterie liefert die Energie. Das stabilisiert die Versorgung und entlastet die Batterie messbar. Wichtig sind definierte Strompfade und Entkopplung – sonst entlädt der Supercap die Batterie oder der Puffer-Effekt verpufft über den Leitungswiderstand.

Wenn definierte Backup-Zeiten und Mindestspannungen gefordert sind, landet man oft bei einem DC/DC-gekoppelten Hybrid. Damit lässt sich die Supercap-Energie über ein weites Spannungsfenster nutzen und das Verhalten wird planbar. Dafür steigen Bauteilaufwand und Komplexität. Bei Serienschaltung gehört Balancing ins Design – inklusive der Verluste durch Balancer und Wandler-Ruheströme.

Warum Designs trotz „richtiger Teile“ scheitern: die Feld-Fallen

Der häufigste Denkfehler ist, einen Supercap wie eine kleine Batterie zu behandeln. Leckstrom ist real, die Spannung sinkt kontinuierlich – ohne Nachladung ist der Speicher irgendwann leer, oft deutlich früher als erwartet. Das zweite typische Problem ist Inrush: Ein leerer Supercap kann beim Einschalten so viel Strom ziehen, dass Sicherungen auslösen oder das Netzteil in die Strombegrenzung geht. Das Ergebnis ist dann nicht „kurze Pufferzeit“, sondern ein System, das gar nicht erst sauber startet.

Drittens entscheidet in Pufferanwendungen das Layout. Ein Supercap puffert nur dann, wenn Strom- und Massepfade niederimpedant ausgeführt sind. Leiterbahnen, Via-Arrays, Masseführung und Steckkontakte bestimmen, ob der Supercap die Pulse wirklich liefert oder ob die Batterie weiterhin die Spitzen stemmen muss. Und sobald mehrere Supercaps in Serie geschaltet werden, kommt Balancing als Pflichtaufgabe dazu: Ohne Ausgleich können einzelne Zellen über ihre zulässige Spannung geraten – auch wenn die Gesamtspannung korrekt wirkt. Das ist kein akademischer Sonderfall, sondern ein typischer Lebensdauerkiller.

Was ist gefragt? Ausdauer, Sprint – oder Teamwork

Batterien sind erste Wahl, wenn Energie über lange Zeit bereitgestellt werden muss – besonders dort, wo Wartung selten oder nie vorgesehen ist. Superkondensatoren spielen immer dann ihre Stärke aus, wenn kurzzeitig hohe Leistungen gefragt sind, wenn häufige Zyklen auftreten oder wenn eine wartungsfreie Kurzzeitpufferung das Ziel ist. In vielen Anwendungen ist die Kombination am robustesten: Ein Supercap fängt Pulsströme ab und stabilisiert die Versorgung, während die Batterie die Ausdauer liefert. Wer Zeitskala, Pulsbelastung, Spannungsfenster, Temperatur und Wartung früh festlegt und Leckstrom, Inrush, Strompfade sowie Balancing konsequent mitdenkt, bekommt robuste Lösungen – auch nach Jahren im Feld.

Checkliste: 10 Fragen vor der Wahl von Batterie, Supercap oder Hybrid:

• 1. Lastprofil: Wie sehen Dauerstrom, Pulsstrom, Pulsdauer und Wiederholrate wirklich aus (gemessen/abgeleitet)?

• 2. Zeitskala: Welche Überbrückungszeit wird benötigt – Millisekunden, Sekunden/Minuten, Stunden/Tage?

• 3. Mindestspannung: Ab welcher Spannung darf das System nicht mehr (Brownout, Reset, Speicherhalt, Regler-Headroom)?

• 4. Spannungsfenster: Kann die Elektronik stark fallende Eingangsspannung tolerieren – oder ist Stabilisierung per DC/DC nötig?

• 5. Pulsfähigkeit: Wer liefert die Peaks – Batterie, Supercap oder beides? Ist der Strompfad zur Last niederimpedant ausgelegt?

• 6. Temperatur real im Feld: Welche Min/Max-Temperaturen treten auf – inklusive Kälte + Pulse und Hitze + Nennspannung?

• 7. Standzeit ohne Nachladung: Wie lange kann das System komplett unversorgt sein – und ist Leckstrom/Selbstentladung berücksichtigt?

• 8. Einschaltverhalten: Was passiert beim Anlegen der Versorgung (Inrush, Precharge, Strombegrenzung, Softstart, Netzteil-Stromlimit)?

• 9. Serienschaltung: Sind mehrere Supercaps/Zellen in Serie nötig – und ist Balancing (passiv/aktiv) samt Verlusten eingeplant?

• 10. Schutz & Fehlerfälle: Kurzschlussstrom, Tiefentladung (Akkus), Übertemperatur, Verpolung, EMV/ESD – sind Schutzmaßnahmen definiert?

Merksatz: Wenn Zeitskala, Pulsbelastung und Spannungsfenster klar sind, ergibt sich die Speicherstrategie meist von selbst. (mr)

* Falko Ladiges ist Teamleader PEMCO bei WDI AG.

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