Das Geheimnis der SuperCaps entschlüsseln

Superkondensatoren haben ihren Platz in modernen elektronischen Systemen, insbesondere wenn die Ladung häufig zyklisch genutzt wird oder eine sehr hohe Stromlast getragen werden muss.

Kondensatoren werden in allen Designs verwendet, da Entkopplung in den meisten Designs obligatorisch ist, um Störgeräusche zu filtern oder einen Oszillator zu erzeugen. Für diese Kondensatoren wird ein höherer Wert in Mikrofarad ausgedrückt, während kleinere Werte in PicoFarad angegeben werden. Die Einheit für Superkondensatoren liegt im Bereich der Farads. Dank ihrer hohen Kapazität können sie mit Batterien konkurrieren, wenn einige Stunden Backup benötigt werden. Sie können auch in Verbindung mit Batterien verwendet werden, um hohe Energiemengen für kurze Zeit bereitzustellen. Aufgrund ihrer hohen Stromfähigkeit können sie auch in Anwendungen zur Energierückgewinnung wie Brems- und Energierückgewinnungssystemen in Hybridfahrzeugen eingesetzt werden.   Um hohe Werte zu erreichen, können Superkondensatoren nicht die Technologie verwenden, die bei Standardkondensatoren eingesetzt wird.   Es gibt verschiedene Superkondensator-Technologien, die verwendet werden können, aber die am weitesten verbreitete ist unter dem Namen Doppelschicht-Kondensator bekannt. Das interne organische Elektrolyt ist einfach herzustellen und sicherer als beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien.   Die Struktur eines Superkondensators gleicht der von zwei Kondensatoren in Serie. Zwei Elektroden (3), die zwischen Kollektoren (2) eingefasst sind, werden durch eine ionendurchlässige Membran (6) getrennt, während ein Elektrolyt (5) beide Elektroden verbindet. Wenn die Elektroden durch eine angelegte Spannung (1) polarisiert werden, bilden die Ionen im Elektrolyt eine elektrische Doppelschicht (4), die der Polarität der Elektroden entgegengesetzt ist. Dieser Mechanismus erklärt den Namen Doppelschicht-Kondensatoren.

Es ist möglich, dass der Abstand zwischen den beiden Ladungsschichten extrem klein ist, was bedeutet, dass sehr hohe Kapazitätswerte erreicht werden können.   Es gibt zwei Arten von Doppelschicht-Kondensatoren, die sich durch unterschiedliche Ladungsspeichermechanismen ergeben:

Ein Superkondensator weist Eigenschaften auf, die sich von denen eines Standardkondensators unterscheiden, und einige Punkte sind erwähnenswert:

Dimensionierung eines Superkondensators und einzigartige Vorteile

Nachdem wir uns angesehen haben, was ein Superkondensator ist und wie er aufgebaut ist, wollen wir nun die Idee untersuchen, sie als Ersatz für Standard-Batterieanwendungen zu verwenden. Wie dimensionieren wir sie, um ihre Laufzeiten in Verbindung mit einigen ihrer einzigartigen Eigenschaften zu vergleichen, und welche besonderen Stärken haben sie?
 
Eines sollten wir im Hinterkopf behalten, wenn wir uns die Energiekapazität eines Superkondensators ansehen: Es gibt einen großen Unterschied zwischen der maximalen Energiekapazität und der effektiven Energiekapazität. Der Unterschied zwischen effektiver und maximaler Energie wird durch die niedrigste Spannung, die das System nutzen kann, und durch die Gestaltung des Superkondensators bestimmt, die seine Mindestspannung vorgibt. Superkondensatoren entladen sich nicht wie Batterien, in dem Sinne, dass sie eine relativ stabile Spannungsausgabe aufrechterhalten, während die Kapazität abnimmt. Bei einer Lithium-Ionen-Batterie kann man über einen großen Bereich der Batteriekapazität mit einer konstanten Spannung von etwa 3,7 Volt rechnen, während bei einem Superkondensator die Spannung schnell abfällt, wenn Energie entnommen wird. Manchmal kann dieser Spannungsabfall fast linear erscheinen, wenn der Stromausgang konstant gehalten wird.
 
In Anbetracht des Spannungsabfalls wird die maximale Energiekapazität mit der Gleichung W_max = ½ * C_total * V²_loaded * 1/3600 berechnet, wobei W die gespeicherten Watt, C die Gesamtkapazität des Superkondensators und V die Spannung des Superkondensators bei voller Ladung darstellen. Diese Methode zur Messung der Kapazität kann jedoch trügerisch sein, denn wie oben erwähnt, muss die effektive Energie des Superkondensators in Bezug auf die Mindestspannung des Systems gemessen werden. Um die effektive Energiekapazität zu messen, verwenden wir die Formel W_eff = ½ * C_total * (V2_max - V2_min) * 1/3600.

Hier ist ein kleines Beispiel mit einem absurd großen Superkondensator. Ich habe den 3000F Eaton Powerstor XL60 ausgewählt, um zu demonstrieren, was passiert, wenn ich die minimale Systemspannung erhöhe und wie viel nutzbare Kapazität wir dabei verlieren. Und ja, das sind tatsächlich 3000 Farad in einem einzigen Superkondensator, das war kein Tippfehler.

Wenn das Systemdesign mit diesem Superkondensator nur eine minimale Eingangsspannung von 1,6 V unterstützen kann, dann gehen dadurch ein Drittel der potenziellen Energie verloren, die im Superkondensator gespeichert ist. Dieser Effekt kann berücksichtigt werden, wenn eine Eingangsstufe mit einem breiteren Spannungsbereich und einem Boost-Schaltkreis entworfen wird, allerdings müssen die Einschränkungen im Voraus erkannt werden. Zudem muss, wenn die Spannung des Superkondensators verringert wird, der Strom erhöht werden, um die konstante Leistungsausgabe beizubehalten, was die Schaltkreiselemente stärker belastet.

Die Energiekapazität mag vielleicht etwas enttäuschend sein, aber der Superkondensator (Supercap) kann in Bezug auf die Leistungsdichte punkten, was bedeutet, dass er sehr große Stromstöße bewältigen kann. Die Fähigkeit, Spitzenstromlasten zu handhaben, ist Teil der Kondensatorfunktion des Supercaps. Diese Fähigkeit ist einer der Gründe, warum Superkondensatoren ihren Platz in akkubetriebenen, kabellosen Werkzeugen gefunden haben, da sie als Puffer für hohe Stromstöße dienen, um beispielsweise die letzte Schraube einzudrehen oder sicherzustellen, dass ein Sägeblatt genug Drehmoment für einen kraftvollen und sauberen Schnitt hat.   In unserem obigen Beispiel können wir uns denselben Eaton XL60 ansehen. Sobald man in das Datenblatt schaut, kann man erkennen, dass er kontinuierlich 140A Ausgangsstrom liefern kann, doch was wirklich beeindruckend ist, ist die Spitzenstrombewertung von 2400A. Diese Strombelastbarkeit unterscheidet Superkondensatoren wirklich von Lithium-Ionen-Batterien. Selbst kleinere Superkondensatoren wie der JUMT1106MHD von Nichicon (der eine Kapazität von 10F hat), können bis zu 5A Spitzenstrom bewältigen und sogar eine Automobilbewertung für einen größeren Temperaturbereich vorweisen.

Ein weiterer Vorteil, den der Superkondensator gegenüber Batterien hat, ist der Kapazitätsverlust. Beim Laden und Entladen von Lithium-Ionen-Zellen unterliegen sie Abnutzung und verlieren im Laufe der Zeit Kapazität, was zu einer Verkürzung ihrer Nutzungsdauer führt – häufig sind sie für 300–500 Zyklen ausgelegt. Superkondensatoren leiden nicht in gleichem Maße unter diesen Zykluseffekten, und beim vorherigen Eaton XL60 verliert er weniger als 20 % seiner Kapazität nach 1.000.000 Zyklen. Neben dieser hervorragenden Zyklusleistung weisen Superkondensatoren im Allgemeinen auch größere nutzbare Temperaturbereiche auf.   Superkondensatoren haben ihren Platz in modernen elektronischen Systemen, insbesondere wenn Sie die Ladung darin häufig umschalten oder eine sehr hohe Stromlast tragen müssen. Betrachten Sie sie definitiv als Ergänzung zu regulären Batteriesystemen und manchmal sogar als vollständigen Ersatz.