Leistungskondensatoren SuperCaps als Alternative zu Sekundärbatterien

Redakteur: Gerd Kucera

SuperCaps haben die höchste Energiedichte aller Kondensatoren. Ihr Vorteil gegenüber Akkus (Sekundärbatterien) ist die hohe spezifische Leistung.

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SuperCaps haben die höchste Energiedichte aller Kondensatoren. Ihr Vorteil gegenüber Akkus (Sekundärbatterien) ist die hohe spezifische Leistung, wodurch sie Verbrauchern kurzzeitig einen hohen Strom zur Verfügung stellen können.

Lithium-Sekundärbatterien (wieder aufladbare Batterien) werden seit vielen Jahren als Backup-Stromversorgung von flüchtigen Speichern und Echtzeituhren eingesetzt, obwohl sie hierfür nicht immer die beste Lösung sind. Lithium-Batterien haben eine relativ kurze Lebensdauer, einen eingeschränkten Betriebstemperaturbereich und sind zudem am Ende der Lebensdauer in der Entsorgung nicht unproblematisch. Für viele Anwendungen sind Superkondensatoren mit hoher Kapazität daher eine bessere Lösung.

Denn Superkondensatoren haben im Vergleich zu Lithium-Sekundärbatterien entscheidende Vorteile. Ihre Lebensdauer etwa ist nahezu unbegrenzt, gegenüber wenigen tausend Ladezyklen bei der Sekundärbatterie. Auserdem arbeiten SuperCaps im Temperaturbereich -25 bis +70 °C zuverlässig; Sekundärbatterien sind mit -10 bis +60 °C spezifiziert. Superkondensatoren bestehen aus Aluminium, Kohlenstoff und organischem Elektrolyt, alles umweltfreundliche Bestandteile, die keine Entsorgungsprobleme zur Folge haben. Außerdem sind sie rasch aufgeladen.

Aufgrund dieser Merkmale sind Superkondensatoren ideal für Anwendungen, die einen zuverlässigen Betrieb über eine sehr lange Nutzungsdauer erfordern, was mit Lithium-Batterien nicht gewährleistet werden kann. Gegenüber Lithium-Batterien bieten Superkondensatoren allerdings eine deutlich geringere Energiespeicherkapazität. In Bild 1 ist die relative Kapazität von Superkondensatoren im Vergleich zu verschiedenen Batterietechnologien dargestellt. Aufgrund dieser Einschränkung liegt die Überbrückungszeit der Superkondensator-Technologie bei einigen Stunden bis hin zu mehreren Tagen, während Lithium-Batterien mehrere Wochen erreichen.

Bei der Auswahl eines Superkondensators für eine Backup-Anwendung mit geringem Strombedarf muss auch der Parasitär-Leckstrom des Kondensators beachtet werden. Der Leckstrom stellt eine zusätzliche Last für den Kondensator dar, sodass sich dieser schneller entlädt als erwartet. Das folgende Beispiel zeigt die Auswirkung des Leckstroms auf Überbrückungszeit.

Die Überbrückungszeit errechnet sich aus dem Kapazitätswert multipliziert mit dem Spannungsabfall während der Entladung, dividiert durch den Laststrom. Beim Einsatz eines Superkondensators mit 0,22 F der 5,5-V-KR-Serie in einer Anwendung mit einem Laststrom von 2 µA, einer nominellen Ladespannung von 5 V und einer minimalen Betriebsspannung von 4,2 V errechnet sich die Überbrückungszeit nach: 0,22 F multipliziert mit einem Spannungsabfall von 5 V minus 4,2 V und dividiert durch 2 µA. Dies ergibt einen Wert von 88.000 Sekunden oder 24,4 Stunden.

Wird jetzt noch der Leckstrom des Kondensators berücksichtigt, der normalerweise bei <1 µA pro Farad liegt, dann ergibt sich die Überbrückungszeit nach: 0,22 F multipliziert mit einem Spannungsabfall von 5 V minus 4,2 V und dividiert durch 2,2 µA. Daraus resultiert ein Wert von 80.000 Sekunden oder 22,2 Stunden.

Besondere Eigenschaft der Superkondensatoren KR

Der Leckstrom hat also einen entscheidenden Einfluss auf die erreichbare Überbrückungszeit, sodass eine Superkondensator-Lösung mit sehr geringem Leckstrom wichtig ist. Bild 2 zeigt den typischen Leckstrom für einen 5,5-V-PowerStor-Superkondensator der KR-Serie mit 1 Farad im Vergleich zu zwei Produkten von führenden Mitbewerbern. Die Serie KR zeichnet sich nicht nur einen sehr geringen Leckstrom aus, sondern erreicht diesen niedrigen Wert auch sehr schnell. Dies erlaubt eine maximale Überbrückungszeit bereits nach einer relativ kurzen Ladezeit.

Ein weiteres wichtiges Kriterium bei der Auswahl eines Superkondensators ist die Berücksichtigung der erforderlichen Lebensdauer und welche Auswirkungen die Betriebstemperatur darauf hat. Normalerweise lässt sich ein Kondensator der KR-Serie kontinuierlich über eine Zeit von 10 Jahren bei 30 °C betreiben, bevor seine Kapazität auf 70% des Anfangswerts abfällt. Wird die Betriebstemperatur um 10 °C erhöht, dann dauert es nur noch halb solange bis die Kapazität auf 70% des Anfangswerts absinkt.

Zehn Jahre Dauerbetrieb bei 50 °C Umgebungstemperatur

Wenn eine Kombination aus langer Lebensdauer und Dauerbetrieb bei hohen Umgebungstemperaturen gefordert wird, dann muss die Design-Reserve erhöht werden. Durch eine Überdimensionierung des Superkondensators um eine Design-Reserve von nur 30% lässt sich ein Absinken des Kapazitätswerts um 50% kompensieren und somit die Lebensdauer um das bis zu Fünffache erhöhen. Durch diese zusätzliche Reserve kann die theoretische Lebensdauer auf über 10 Jahre Dauerbetrieb bei einer Umgebungstemperatur von 50 °C ausgeweitet werden.

Superkondensatoren stellen damit eine kostengünstige Alternative zu Lithium-Sekundärbatterien in Backup-Anwendungen dar. Sie gewährleisten einen zuverlässigen Betrieb über die gesamte Lebensdauer der Geräte und verursachen nach Ablauf der Lebensdauer keine Entsorgungsprobleme. Außerdem sind sie besser für moderne automatische Produktionsverfahren geeignet und erlauben eine einfachere und zuverlässigere Montage.

Kommt ab Sommer 2011: Powerstore-X-Serie mit 360 F

Voraussichtlich zur Jahresmitte wird es von Cooper-Bussmann die Powerstor-X-Serie in Produktionsstückzahlen geben, die mit einem Modell startet, das stolze 360 F bei einer Betriebsspannung von bis zu 2,7 V bietet. Dabei sind Einsatztemperaturen von –40 bis +65 °C möglich. Primärbatterien und Akkus sind hier nicht mehr einsatzfähig. Der ESR liegt bei gerade einmal 3,2 Milliohm und bei einem Gewicht von 67 Gramm und Abmessungen von 60 mm bei 35 mm Durchmesser halten sich auch die mechanischen Abmessungen in Grenzen. Damit sind PowerStor-Supercaps der X-Serie ein jahrzehntelang sicheres und zuverlässiges Bauteil in USVs, Brennstoffzellen-Stromversorgungen, Hochstrom-Pufferstromversorgungen, Brems-Energierückgewinnungen und vielen anderen effizienten Stromversorgungs-Applikationen. Denn auch diese Doppelschicht-Kondensatoren brillieren durch enorm hohe Kapazitäten und fast unbegrenzte Lade-/Entladezyklen, die im Gegensatz zu Akkumulatoren auch in höchsten Stromspitzen noch zur Verfügung stehen. Muster sind beei HY-LINE sofort erhältlich.

Rekordkapazitäten bis zu 110 F und 85 °C betriebstemperatur

Dünner und kürzer als eine Mikrozelle ist indes der Powerstor-Superkondensator HB1030-2R5106-R. Er wiegt 3,5 g und hat bei 10 F Kapazität und 30 mm Länge einen Durchmesser von nur 10 mm. Generell bietet die HB-Serie Rekord-Kapazitäten von 3 bis 110 F und sind ausgesprochen schlank gebaut; sogar schlanker als gewöhnliche Elkos. Damit eignen sie sich besonders zum Einbau in beengter Umgebung an, beispielsweise als Spitzenstrom-Unterstützung parallel zu Batterien oder Akkus in Batteriefächern in den von diesen freigelassenen Lücken. Auf diese Weise verlängert sich die Betriebszeit von Geräte mit impulsartiger Stromaufnahme wie Mobiltelefonen mit Alkali-Mangan-Batteriezellen um mehr als das Sechsfache. Zudem erleichtert die schlanke Bauform die Wärmeabfuhr der HB-Supercaps.

Die HB-Serie kann in einem weiten Temperaturbereich von –25 bis +85 °C eingesetzt werden. Eine Spitzenspannung von 3,0 V ist zulässig, die Arbeitsspannung liegt bei 2,5 V. Erst über 70 °C Betriebstemperatur setzt bis 85 °C ein lineares Derating auf 2,1 V ein. Sollen mehrere Supercaps in Reihe betrieben werden, stehen entsprechende aktive Spannungsverteiler ohne Preisaufschlag zur Verfügung. // KU

* * Wolfgang Kattermann ... ist Director of Electronic Sales EMEA bei Cooper Bussmann.

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