Autoren: Julio Gallego-Lopez, Geschäftsentwicklungsmanager und Christian Kaspar, Technischer Support, Rutronik, akos labady, Senior Field Application Engineer bei EATON
EDLCs, auch bekannt als Superkondensatoren, Boost-Caps oder Gold-Caps, sind elektrochemische Kondensatoren, die eine hohe Kapazität mit einem niedrigen Innenwiderstand kombinieren. Dies macht sie ideal für eine Vielzahl von Anwendungen. Aber welche sind das und was ist zu beachten? Ein EDLC (Elektronischer Doppelschichtkondensator) besteht aus zwei kohlenstoffbeschichteten Aluminiumelektroden (Abbildung 1). Durch seine hochporöse Struktur ergibt sich eine sehr große Oberfläche, die in erster Linie für die hohe Kapazität verantwortlich ist. Das Separatorpapier zwischen den Elektroden dient gleichzeitig als Reservoir für den Elektrolyten. Es besteht hauptsächlich aus Acetonitril (ACN), das als Lösungsmittel zum Auflösen leitfähigkeitserhöhender Salze verwendet wird. Beim Anlegen einer Gleichspannung sammeln sich Ladungsträger je nach Polarität in extrem geringem Abstand von der Kohlenstoffoberfläche an. Dieser als Helmholtz-Schicht bekannte Effekt bildet das Dielektrikum. Da dies an der positiven und negativen Elektrode geschieht, nennt man die Bauteile Doppelschichtkondensatoren.
Energiespeichersysteme auf Superkondensatorbasis
Es gibt drei Anwendungen, die für Superkondensatoren relevant sind: Energiespeicherung, Impulsleistung und Backup (Sicherungskopie). Ziel ist es, einen Energiespeicher ausschließlich auf Basis von Superkondensatoren oder in Kombination mit einer Batterie zu entwickeln, wobei der Superkondensator als Sekundärspeicher zur Abdeckung von Leistungsspitzen dient.
Energieansammlung
Bei der Energiespeicherung erfordert die primäre Energiequelle, z. B. ein Solarmodul, ein Verfahren zur Speicherung der erzeugten Energie und zur Rückgewinnung bei Bedarf, z. B. in einem Superkondensator. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass Superkondensatoren einen höheren Leckstrom oder eine höhere Selbstentladung als Batterien haben. Während der Akkumulations- oder Ladephase muss der Ladestrom mindestens zehnmal höher sein als der Leckstrom.
Impulsleistung oder Leistungsverstärkung (Booster)
Wenn eine Anwendung wiederholt Stromspitzen erfordert, kann ein Superkondensator diese abdecken und so die Lebensdauer der primären Stromquelle wie einer Batterie um ein Vielfaches verlängern (Abbildung 2). Hier ist die ESR (äquivalenter Serienwiderstand – äquivalenter Serienwiderstand) des Kondensators ist der wichtigste Parameter und wird zur Grundlage für die Wahl des Superkondensators. Als „Faustregel“ sollte der ESR des Kondensators etwa 25 Prozent des ESR der Primärzelle betragen.
Stromausfall oder Backup (Sicherungskopie)
Superkondensatoren können für einen bestimmten Zeitraum Strom liefern (Abbildung 3). Das System muss nicht notwendigerweise eine Energiequelle wie eine Batterie haben. Beispiele sind Echtzeituhrensysteme, die über mehrere Tage oder sogar Wochen einige Mikrowatt Leistung benötigen, aber auch sehr energieintensive Anwendungen, wie etwa Straßenbahnen, die eine relativ kurze Strecke ohne Oberleitung zurücklegen müssen. Superkondensatoren eignen sich auch besonders zur Unterstützung von fahrerlosen Transportsystemen (AGV – FTS – fahrerlose Transportfahrzeuge) für eine bestimmte Distanz ohne Batterie.
Wichtige Parameter bei der Entwicklung von Superkondensatoren
Bei Designs mit Superkondensatoren müssen bestimmte Parameter berücksichtigt werden. Die wichtigsten sind die folgenden:
- Temperaturbereich
- Nützliches Leben
- Lade- und Entladezyklen während der Nutzungsdauer
- verwendbarer Spannungsbereich
- Kosten
- Parameter de carga
- Hautgleichgewicht
Temperaturbereich: Aufgrund ihrer physikalischen und chemischen Zusammensetzung haben Superkondensatoren eine sehr konstante Leistung über einen sehr weiten Betriebstemperaturbereich. Kapazitäts- und ESR-Kurven als Funktion der Temperatur sind vom Hersteller erhältlich (auf Anfrage).
Lebensdauer: Die Betriebsspannung und Temperatur sind die einflussreichsten Aspekte für die Lebensdauer von Superkondensatoren. Werden sie im Leerlauf gelagert, ist ihre Lebensdauer nahezu unbegrenzt. Als Kenndaten in den Datenblättern geben die Anbieter die üblicherweise auftretende Leistungsänderung bei Verringerung der Kapazität und Erhöhung des Widerstands an.
Zyklen über die Lebensdauer: Unter typischen Betriebsbedingungen kann ein Superkondensator je nach Zelle bis zu einer Million Arbeitszyklen mit einer Reduzierung der Nennkapazität von 20 bis 30 Prozent in den meisten Fällen ausführen.
Verwendbarer Spannungsbereich: Superkondensatoren haben eine Nennspannung von 2,7 oder 3 V (Hybridmodelle: 3,8 V). Sie können bis zum Erreichen von 0 V arbeiten (Hybridvarianten fallen nur auf 2,2 V ab). Hybridkomponenten vereinen die Eigenschaften einer Batterie und eines Superkondensators. Seine Verwendung sollte jedoch aufgrund der erforderlichen Mindestspannung sorgfältig überlegt werden. Manche Hersteller geben in ihren Datenblättern auch Spannungsspitzen an. Diese beschreibt die absolute Maximalspannung für eine Zeit bis zu einer Sekunde. Zufällige Spannungsspitzen über der Nennspannung wirken sich nicht sofort auf den Kondensator aus, können aber je nach Häufigkeit und Dauer dessen Lebensdauer erheblich verkürzen.
Theoretisch ist der Gesamtenergieinhalt eines Kondensators E=½C V2 (C= Kapazität, V= Spannung). Da die meisten elektronischen Geräte zum Betrieb eine bestimmte Mindestspannung benötigen, bedeutet dies Folgendes: Der Spannungsbereich reicht nie von Nennspannung bis Null. Bei Verwendung eines Spannungsbereichs von der Hälfte der Nennspannung können etwa 75 Prozent der verfügbaren Leistung aus dem Superkondensator gezogen werden.
Der Energiegehalt bei Teilentladung wird nach folgender Formel berechnet:
E = ½C (V2max - V2min)
Kosten: Der Preis pro Wattstunde eines Superkondensators ist im Vergleich zu beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien relativ hoch, weshalb es ratsam ist, sehr genau abzuwägen, ob eine Entwicklung mit einem Superkondensator sinnvoll und machbar ist. Die Kosten müssen gegen den Nutzen der Nutzung abgewogen werden.
Ladeparameter: Superkondensatoren speichern Energie nicht wie Batterien durch eine chemische Reaktion, sondern elektrostatisch, wodurch sie auf die gleiche Weise und mit dem gleichen Stromwert geladen und entladen werden können. Dies ist mit konstantem Strom oder konstanter Leistung aus einer Gleichstromquelle möglich.
Balance: Die Betriebsspannung derjenigen Anwendungen, für die Superkondensatoren geeignet sind, übersteigt typischerweise die Nennspannung von Superkondensatorzellen bei weitem, die bei 2,7 oder 3 V liegt. Um die geforderte Spannung zu erreichen, müssen mehrere Kondensatoren in Reihe geschaltet werden, beispielsweise 12, 24 oder 48 V. Die unterschiedlichen Kapazitäts- und Ableitstromtoleranzen der einzelnen Kondensatorzellen müssen beim Laden mittels Zellbalance ausgeglichen werden, damit die einzelnen Zellen ihren maximalen Spannungsbereich nicht unterschreiten. Es stehen passive und aktive Methoden zur Verfügung. Vereinfacht gesagt eignet sich passives Balancing am besten für Anwendungen mit geringer Last, während aktives Balancing eher für Systeme mit hoher Last und schnelleren Lade-/Entladezyklen geeignet ist.
Beim passiven Ausgleich wird ein Widerstand angeschlossen umgehen oder eine Zenerdiode parallel zu jeder Zelle, um den Leckstrom der Zelle selbst zu kompensieren und daher den Kapazitätsunterschied zwischen den Zellen zu verringern. Wenn alle parallel geschalteten Widerstände gleich sind, müssen sich die Zellen mit höherer Spannung aufgrund des Widerstands schneller entladen als die Zellen mit niedrigerer Spannung, wodurch ein Ausgleich der einzelnen Zellspannungen erreicht wird.
Der aktive Abgleich beinhaltet seinerseits die Integration von Spannungskomparatoren, einzeln oder in einer Schaltung kombiniert mit anderen Überwachungs-/Lastfunktionen. Diese aktive Waage regelt nicht wie bei der passiven Waage kontinuierlich den gesamten Kompensationsstrom, sondern nur dann, wenn die Spannung eine vordefinierte Schwelle überschreitet. Das macht das aktive Auswuchten sehr effektiv und effizient, aber auch komplexer und teurer. Im Allgemeinen ist ein Superkondensatormodul, das bereits den größten Teil des Ausgleichs eingebaut hat, normalerweise die beste Wahl. In diesem Fall ist die Waage optimal an die Zellen angepasst.
Hochskalieren eines Superkondensators
In der ersten Phase einer Entwicklung mit Superkondensatoren ist es wichtig, die Werte der Parameter in der zu definieren Abbildung 4, da sie den Betrieb der Superkondensatoren in der Anwendung bestimmen.
Vmax: Maximale Betriebsspannung
Vmin: Mindestspannung, unterhalb derer die Anwendung nicht funktioniert
Zeit: Zeit, während der der Superkondensator eine Spannung und einen Strom zwischen der maximalen und der minimalen Spannung liefern muss
Vfallen lassen: Spannungsabfall am Kondensator aufgrund von ESR (später bestimmt)
It: Für den Betrieb des Geräts benötigter Strom. Obwohl die meisten Anwendungen einen nahezu konstanten Strom erfordern, einige einen variablen Strom haben, wird hier ein durchschnittlicher Strom angegeben.
Lebensende eines Superkondensators
Ein Superkondensator erreicht sein EOL (Ende des Lebens – Ende der Nutzungsdauer ) wenn im Vergleich zum Datenblatt
oder die Kapazität ist um 30 Prozent gesunken (in einigen Branchen, wie der Luftfahrt, sind 20 Prozent anwendbar und in anderen, wie der Automobilindustrie, 50 Prozent)
oder der ESR hat sich verdoppelt (meist bei einer Kapazitätsreduzierung von etwa 30 Prozent, bei Knopfzellen gilt eine 400-prozentige Erhöhung).
Die relevanten EOL-Kriterien finden sich in der Regel unter der Überschrift „Gleichstromleben – DC-Nutzungsdauer“ im Datenblatt.
Kapazitätsberechnung
Die folgende Formel kann verwendet werden (gelöst nach IT oder C) bei der Bestimmung der erforderlichen Kapazität eines Superkondensators:
IT = C · dV/dT = C · (Vmax - Vmin - Vfallen lassen) / T.
C=Icht FERNSEHER)max - Vmin - Vfallen lassen)
Allerdings wird im ersten Schritt der Spannungsabfall (Vfallen lassen):
C=Icht FERNSEHER)max - Vmin)
Dann wird eine Standardkapazität ausgewählt, die über dem berechneten Wert liegt. Wenn das Ergebnis der Formel beispielsweise 13,2 F beträgt, sollte ein 15-F-Kondensator gewählt werden.
Der nächste Schritt ist eine zweite Berechnung, die den maximalen ESR für DC (oder bei niedriger Frequenz) berücksichtigt. DC ESR wird allgemein im Datenblatt definiert; ein Beispiel ist in der gezeigt Abbildung 5.
Spannungsabfall (ESR-Abfall)
Vfallen lassen = DC ESR It
C=Icht FERNSEHER)max - Vmin - Vfallen lassen)
Unter Berücksichtigung dessen bietet der ESR Vfallen lassen führt zu einer höheren Endkapazität, da der nutzbare Spannungsbereich reduziert wird. Dieser neu berechnete Wert muss kleiner sein als die zuvor gewählte Kapazität. Wenn es beispielsweise 13,8 F sind, ist der ausgewählte 15-F-Kondensator immer noch geeignet. Wenn die berechnete Kapazität jedoch größer als 15 F ist, muss ein Kondensator mit einer höheren Kapazität gewählt werden. Es ist immer wichtig, Kapazitätsabbau und ESR zu berücksichtigen (Abbildung 6).
Wenn wir beispielsweise 80 Prozent der ursprünglichen Kapazität als EOL nehmen und der berechnete Kapazitätswert 13,8 F beträgt, muss die Kapazität 20 Prozent darüber liegen, also 16,56 F. Dies bedeutet, dass beispielsweise ein 25-F-Kondensator sollte gewählt werden.
Temperatur Profil
Ein entscheidender Faktor bei der Auswahl eines Superkondensators ist das Temperaturprofil der Anwendung, da es verschiedene Eigenschaften des Kondensators stark beeinflusst, insbesondere ESR, Kapazität und Leckstrom. Dies wiederum wirkt sich auf die Lebensdauer aus.
Der Innenwiderstand (ESR) ist im mittleren Temperaturbereich nahezu stabil und fällt bei höheren Temperaturen sogar leicht ab (Abbildung 8). Wenn die Komponente bei Temperaturen unter 68 °F (20 °C) funktioniert, muss der erhöhte ESR berücksichtigt und in die Berechnungen einbezogen werden. Im Gegenteil, die Kapazität ist über den Temperaturverlauf hinweg relativ stabil und fällt nur bei niedrigen Temperaturen etwas ab.
Der Leckstrom ist vereinfacht gesagt der Mindeststrom, der einem Superkondensator zugeführt werden muss, um dauerhaft die gleiche Ladung bzw. das gleiche Spannungsniveau aufrechtzuerhalten. Sie hängt stark von der Temperatur und der angelegten Spannung ab. Mit jedem Temperaturanstieg von 50 °C (10 °F) wächst sie zwei- bis dreimal und steigt stark über 104 °C (40 °F) an (Abbildung 9). Ein Spannungsabfall von 0,2 V verursacht einen Abfall von ungefähr 50 Prozent. Sie ist proportional zur Kapazität des Kondensators und hängt von der Art des Elektrolyten ab. Bei Verwendung von ACN (Acetonitril) ist sie etwas höher als bei Verwendung von PC (Propylencarbonat).
Der Leckstrom spielt eine führende Rolle bei Anwendungen, bei denen kontinuierlich Spannung anliegt, da die Zellen immer Strom erhalten müssen, um die Spannung auf einem konstanten Niveau zu halten. Bei in Reihe geschalteten Kondensatoren mit Dauerspannung ist auch der Leckstrom wichtig. Seine Veränderung über die Lebensdauer führt dazu, dass das System mit der Zeit aus dem Gleichgewicht gerät. Zellen mit niedrigerem Leckstrom werden leicht geladen, während Zellen mit höherem Leckstrom minimal entladen werden. Dies führt zu einer weiteren ungleichmäßigen Alterung der Zellen im System. Passiver Ausgleich wäre hier Abhilfe. Als Faustregel gilt: Der Ausgleichsstrom sollte das Zehnfache des Ableitstroms betragen.
Beispiel eines Systems mit einem Superkondensator
In Lagern für moderne E-Commerce-Services (e-Handel), die hochautomatisierte Übergabe an Inventur- und Auftragsvorbereitungsprozesse (-bestands- & Kommissionierung) wird in der Regel von fahrerlosen Transportsystemen (AGV) durchgeführt. Sie nehmen Kisten oder Paletten aus den Regalen und bringen sie zu einer Packstation. Ein solcher Eingriff dauert in der Regel zwei bis drei Minuten. Die Stromversorgung erfolgt über Führungsschienen oder über einen integrierten Energiespeicher (Batterie oder Superkondensatoren). Dieser Akkumulator kann die gesamte Fläche versorgen und nach der Schicht geladen werden oder nur einen Teil der Strecke zurücklegen und zwischen den Einsätzen regelmäßig an einer Ladestation nachgeladen werden.
Superkondensatoren haben sich zu einer beliebten Stromversorgungslösung in solchen fahrerlosen Fahrzeugen entwickelt, insbesondere in Kühlhäusern oder wenn ein wartungsfreier 24/7-Betrieb erforderlich ist. Denn sie können während des Fahrzeugbetriebs für zwei bis drei Minuten Nutzung in 10 bis 30 Sekunden aufgeladen werden und ermöglichen Lagerprofis so eine nahezu XNUMX-prozentige Leistung des Fahrzeugs aufgrund der kurzen Inaktivitätszeiten beim Laden. Außerdem können sie mehr als zehn Jahre wartungsfrei arbeiten und stellen kein Sicherheitsproblem dar, wie es bei Batterien der Fall sein kann.
