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Mit Doppelschichtkondensatoren die Lebensdauer und Performance von Batterien steigern

Paul-Martin Kamprath

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Moderne Batteriesysteme auf z.B. Lithiumbasis besitzen im Vergleich zu anderen Speichermedien eine hohe Energiedichte. Die Energiespeicherung und Energieentladung der Elektrizität basieren auf elektrochemischen Komponenten, die einer Alterung unterliegen. Je öfters eine Batterie geladen und entladen wird, desto mehr verliert sie an Kapazität. Die Verkürzung der Lebenszeit einer Batterie wird mit einer erhöhten Anzahl von Spitzenanforderungen beschleunigt. Das gleiche gilt umgekehrt: Hohe Ladeströme befördern die Alterung ebenfalls. Somit hat die Art der Fahrweise in der Elektromobilität eine Auswirkung auf die Lebensdauer des Energiespeichers. Die Lebensdauer von Batterien ist ein kritischer Faktor, sie liegt bei modernen Batteriesystemen bei 2.000 Zyklen. Hohe Ströme bewirken auch eine stärkere Wärmeentwicklung innerhalb der Batterie, die nach außen abgeführt werden muss.

Doppelschichtkondensatoren (Super- oder Ultracaps, engl. electric double layer capacitors, EDLCs) dagegen basieren auf einem rein elektrostatischen Prinzip. Vereinfacht betrachtet werden nur Elektronen verschoben. Die Lebendauer, d.h. die maximale Lade- und Entladezyklenanzahl ist nahzu unendlich und wird im Allgemeinen in der Größenordnung von 500.000 bis 1 Million angegeben. Doppelschichtkondensatoren haben im Vergleich zu anderen Kondensatortechnologien eine sehr hohe Energiedichte, liegen aber im Vergleich zu Batterien um den Faktor 1/100 darunter. Aufgrund des sehr geringen Innenwiderstandes bieten Doppelschichtkondensatoren im Gegenzug eine sehr hohe Leistungsdichte. Diese ist bis ca. 10x so hoch wie die von Batterien. Die Abforderung maximaler Lade- oder Entladeströme haben dabei keinen Einfluss auf das Verhalten der Alterung.

Es liegt somit nahe beide Speichersysteme zu kombinieren, um sowohl die Vorteile der elektrochemischen wie auch des elektrostatischen Prinzipes auszunutzen. Dabei wird ein Modul bestehend aus Doppelschichtkondensatoren der Batterie parallel vorgeschaltet. In Phasen sehr hoher Leistungsanforderungen, z.B. beim Beschleunigen von Fahrzeugen mit Elektroantrieb, geben die Kondensatoren die Energie zum größten Teil ab. Anschließend werden die Kondensatoren wieder von der Batterie in folgenden Phasen mit niedrigeren Leistunganforderungen nachgeladen. Der entscheidende Effekt: Die Kondensatoren puffern und glätten die Lastspitzen, die den Hauptfaktor für die Alterung der Batterie darstellen. Das gilt auch für stärkere Rekuperationsphasen. Die Kondensatoren laden sich zuerst auf bevor die Energie in die Batterie geht und hohe Ladeströme belasten.

Doppelschichtkondensatoren haben eine Spannungfestigkeit in der Größenordnung von 2,5V bis 3,0V. Um die notwendigen höheren Spannungen zu erreichen, müssen die Kondensatoren zu einem Modul mit mehreren in Reihe geschalteten Elementen verbaut werden. Da die Kondensatoren sich aufgrund ihrer Toleranzen nicht absolut gleichmäßig laden und entladen ist ein Balancing notwendig, dass einen gleichen Ladezustand (SoC, State of Charge) der einzelnen Kondensatoren immer wieder herstellt. Vergleichbares gilt für die Batterie, die in der Regel ebenfalls aus vielen Zellen besteht. Alternativ bietet sich hier im Vergleich zum eher gängigen passiven Balancing über Lastwiderstände ein aktives Balancing an. Hierbei werden die Ströme maßgeschneidert zugewiesen. Ein entscheidender Unterschied dabei ist die Stützung der schwächsten Zellen und nicht die Schwächung der stärksten Zellen. Mit dem Verzicht auf die Lastwiderstände werden Energieverluste und die einhergehende Wärmeentwicklung nahezu vermieden. Gleichzeitig ist der Ausgleich der Ladezustände der einzelnen Zellen und Kondensatoren schneller hergestellt als mit passiven Systemen. 

 

Modul aus Doppelschichtkondensatoren mit aktivem Balancing speziell gebaut zur Erhöhung der Leistungsdichte als Ergänzung zu Batteriesystemen (Quelle: UNIT5 Lithium Storage)

EDLC Module für unterschiedliche Spannungen (Quelle: Samwha)


Zusammengefasst bietet die Kombination elektrochemischer Speicher mit Doppelschichtkondensatoren die Möglichkeit, eine höhere Leistungsdichte bei gleicher Dimensionierung der Batterie zu erreichen. Mit dem Prinzip der Pufferung über die Kondensatoren wird die Batterie homogener belastet, die Wärmeentwicklung verringert und die Lebensdauer verlängert. Für bestimmte Anwendungen kann die Batterie auch kleiner ausgelegt werden und die Leistungsdichte erhalten bleiben.

Fazit: Die Performance des gesamten Systemes wird mit Doppelschichtkondensatoren erheblich gesteigert und die Batterien werden gleichzeitig geschont. 

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