Balancing - Zellausgleich

Balancingverfahren bei Ultrakondensatoren

Zum Ladungsausgleich und Schutz

  • passives Balancing
  • aktives Balancing
  • UMU (Ultracap Monitoring Unit)

Durch die fertigungsbedingten unterschiedlichen Kapazitätswerte und Innenwiderstände innerhalb der zulässigen Toleranz ergeben sich bei einer Reihenschaltung unterschiedliche Zellspannungen. Somit fließen auch entsprechende Ausgleichsströme. Dies ist ein ähnliches Verhalten wie bei Batterien.

Ultracap Balancing

Reihenschaltungen und Reihen- /Parallel-schaltungen sind notwendig, da die geringe nominelle Zellspannung von 2,7 V  sonst keine höheren Modulspannungen ermöglichen würden.
In Modulen wird allgemein empfohlen die Zellspannung auf ca. 2,5V/Zelle auszulegen, um so eine Sicherheit gegen die Überladung der einzelnen Zellen zu schaffen. Eine Überladung hat wiederum negativen Einfluss auf die Lebensdauer.

Passives Balancing

Es gibt mehrere Methoden die Zellen „auszugleichen“ (engl: balancing). Die Ausgleichströme bewegen sich, Zellkapazität -und ESR- abhängig, im Milliampèrebereich, so dass mit Shuntwiderständen die Zellspannungen ausgeglichen werden können. Dieses sogenannte passive Balancing eignet sich gut für kleinere dynamische Systeme, also ULTRACAP Module die häufig geladen und entladen werden und somit der Zellausgleich im laufenden Betrieb erfolgt. Die Gesamtbelastung sollte auch hier nicht in die Grenzbereiche der Kondensatoren gehen und außerdem sollten nicht zu viele Zellen im Modul enthalten sein.

Aktives Balancing

Aktives Balancing bei Ultracaps

Statische Systeme sollten besser aktiv ausgeglichen werden, da hier sonst bei längerem Stillstand (ohne Spannungsversorgung) sich das System schneller entlädt. Durch den Shunt fließt schneller Ladung ab. Hierzu verwendet man dann das aktive Balancing, in der Regel eine Comparator-Schaltung wie diese hier von Nesscap.  Diese schaltet den Spannungsausgleich bei erreichen eines Schaltpunktes dann ab, so dass nur noch die Selbsentladung der Zellen wirkt.

Auch die Halbleiterhersteller haben den Markt der ULTRACAPS inzwischen für sich entdeckt und bieten entsprechende Lade-und Überwachungs Chipset an. Linear Technologies ist hier Vorreiter.

Ultracap Monitoring Units

Blockdiagramm Ultracap Monitoring Unit
Blockdiagramm Ultracap Monitoring Unit

Besonders lebensdauersensitive Großsysteme (sehr viele, bis zu mehreren Hundert Zellen, 600V-800V Nennspannung), werden durch besondere intelligente Monitoring Systeme überwacht. Hierzu gibt es auch bereits fertige Lösungskonzepte am Markt. Meistens werden diese jedoch heute individuell vom Anwender auf die spezifischen Anforderungen entwickelt oder angepasst. Die Anforderungsprofile sind sehr vielfältig und setzen deshalb intelligente Controller und flexible Softwarelösungen voraus. Ein Beispiel ist die UMU (Ultracap Monitoring Unit), die von Nesscap z.B. auch in den 48V Modulen und in industriell eingesetzten Großmodulen verwendet wird.