Funktionsweise von Ultrakondensatoren als schnelle Energiespeicher

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Ein Ultrakondensator fällt am Ende seiner Lebensdauer nicht schlagartig aus wie eine Glühlampe; er lässt nur in der Funktion nach wie eine LED und auch die Zeiträume, um die es hier geht, sind mit guten LEDs vergleichbar.

Das Ende der Lebensdauer wird üblicherweise definiert als der Zeitpunkt, an dem entweder die Kapazität um 20 % gesunken ist oder der Serienwiderstand sich verdoppelt hat. Soll ein Ultrakondensator-Array besonders lange nutzbar bleiben, kann man es durch großzügigere Dimensionierung beispielsweise auch noch nutzen, wenn die Kapazität der Zellen um 30 % abgesunken ist oder sich der Innenwiderstand verdreifacht hat. Allerdings entwickeln sich die Veränderungen exponentiell. Eine noch größere Überdimensionierung, um die Gebrauchsdauer weiter zu verlängern, ist deshalb meist nicht mehr sinnvoll.

Soll in einem Modul ein einzelner, vorzeitig gealterter Kondensator ausgewechselt werden, so kann ein neuer Ultrakondensator die Balance aus dem Gleichgewicht bringen. Eventuell ist in solchen Fällen der Einbau eines vorgealterten Kondensators sinnvoll.

Maxwell-Ultrakondensatoren benutzen organische Elektrolyte, die eine höhere Betriebsspannung ermöglichen als wässrige Elektrolyte und bei tiefen Temperaturen nicht einfrieren. Bei Überspannung gasen die Elektrolyte, was jedoch wieder endet, wenn der unzulässige Betriebszustand verlassen wird. Danach ist im Extremfall die Kapazität vermindert, es entsteht jedoch kein Durchbruch wie bei anderen Kondensatorbauformen. Im Interesse von Betriebssicherheit, Lebensdauer und Kenndaten ist eine auch nur kurzfristige Überlastung dennoch zu vermeiden. Eine hohe zulässige Betriebsspannung erhöht jedoch den Energieinhalt signifikant, weil dieser sich nach der Formel 0,5 C × U² errechnet. 75 % der Energie stecken in der Entladekurve von voller bis halber Betriebsspannung. Deshalb ist es andererseits sinnvoll, in Applikationen den zulässigen Spannungsbereich des Ultrakondensators auszunutzen.

Positive Umweltaspekte

Ultrakondensatoren bestehen aus Aluminium, Kohle, Papier und dem Elektrolyten. Sie enthalten keine Schwermetalle oder giftigen Substanzen. Im Normalfall geht auch bei einem Brand von einem Ultrakondensator keine größere Gefahr aus als von anderen elektronischen Baugruppen gleichen Volumens.

Serien- und Parallelschaltung

Um höhere Betriebsspannungen zu erreichen, werden Ultrakondensatoren in Serie geschaltet. Dabei ist die Spannungsaufteilung zu beachten:

Einerseits fällt bei Kapazitätstoleranzen am größeren Ultrakondensator die kleinere Spannung ab, während der kleinere eventuell überlastet wird. Ohne weitere Vorkehrungen reduziert das dessen Lebensdauer und Kapazität, womit die Überlastung weiter ansteigt und das Array schließlich deutlich an Performance verliert.

Andererseits sind auch die statischen Leckströme von Ultrakondensatoren zwar gering, aber ebenso unterschiedlich. Auch hierdurch kann sich eine Schieflage der Spannungsaufteilung ergeben.

Mit passiven oder aktiven Balancierungs-Lösungen ist dort Abhilfe zu schaffen und die Spannungsaufteilung zu symmetrieren.

Passive Lösungen sind zu den Ultrakondensatoren parallelgeschaltete Widerstände, die deutlich geringer als die Leckwiderstände der Kondensatoren sein müssen. Diese Lösung ist preisgünstig und zuverlässig, erhöht aber die Leckströme. Aktive Lösungen schalten erst dann einen Bypass am Ultrakondensator vorbei, wenn dessen zulässige Betriebsspannung erreicht wird.

Ultrakondensatormodule von Maxwell enthalten bereits eine passend bemessene Symmetrierungslösung, ebenso bietet der Hersteller montagefertige Baugruppen für Kunden an, die sich eigene Arrays zusammenbauen wollen.

Auch die für höhere Arrayspannungen relevanten Kriechstrecken sind zu beachten, insbesondere bei Eigenkonstruktionen. Fertige Module von Maxwell halten die notwendigen Sicherheitsabstände ein.

Herstellung der Elektroden

Weil dieser Markt so attraktiv ist, tummeln sich hier viele Anbieter mit mitunter gemischter Qualität. Ja sogar ein Selbstbau eines Superkondensators aus Haushaltsutensilien wird auf Youtube beschrieben – allerdings mit extrem aggressivem Rohrreiniger (Natrium- oder Kaliumhydroxid beziehungsweise Kalilauge) als Elektrolyten, mit gerade mal 1,2 V maximaler Betriebsspannung, ohne Überdruckschutz und dann im Schlafzimmer oberhalb des Betts gelagert, um den Wecker zu versorgen. Ziemlich lustig, wenn es denn nicht schon fast makaber wäre. Doch auch die industriellen Ultrakondensatoren sind oft von tatsächlichen Applikationen überfordert und fallen bei den in Fahrzeugen unvermeidlichen Erschütterungen vorzeitig aus.

Qualitative Unterschiede bei Ultrakondensatoren sind oft durch die Kohleelektroden bedingt. Deren Fläche bestimmt die Kapazität, wo fast alle industriellen Hersteller in einem gegebenen Volumen inzwischen vergleichbare Werte erreichen. Doch gibt es unterschiedliche Herstellungsprozesse, welche sich auf die Stabilität auswirken. Nassprozesse, bei denen die Aktivkohle zunächst gelöst aufgesprüht wird und dann erst beim Trocknen ihre poröse Struktur entwickelt, führen zu instabileren Elektroden. In mobilen Anwendungen, insbesondere in der Nähe vibrierender Aggregate wie Motoren oder an von der Fahrt durchgeschüttelten Montageorten im Fahrzeug, können diese schnell „zerbröseln“ und so versagen.

Der Trockenprozess von Maxwell ist in diesem Fall vorteilhaft; zusätzlich ist auch das Grundgerüst besonders robust angelegt. Dies wird von Maxwell als Durablue-Technologie bezeichnet: Sie ist besonders robust sowohl gegen einzelne Stöße als auch kontinuierliche Schwingungen und Vibrationen.

Welche Anwendungen für Ultrakondensatoren denkbar sind, lesen sie hier.

* Dipl.-Ing. (FH) Wolf-Dieter Roth ist technischer Redakteur bei der Hyline Power Components Vertriebs GmbH in 82008 Unterhaching

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