Supercap balancing

Ultracap Balancing , Zellausgleich und Leckstrom

Ultracap-Wissen | Rainer Hake | Lesedauer: 7 Minuten

Wie funktioniert ein Ladungsausgleich und der Schutz von Ultracaps?

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.

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.

Passives Ultracap Balancing

Aktives Balancing

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. Diese schaltet den Spannungs­ausgleich bei erreichen eines Schalt­punktes dann ab, so dass nur noch die Selbst­entladung der Zellen wirkt. Auch die Halb­leiter­hersteller haben den Markt der ULTRACAPS inzwischen für sich entdeckt und bieten entspre­chende Chip-Sets zur Ladeüberwachung an.

Ultracap active balancing

UMU Ultracap Monitoring Units

Besonders, hinsichtlich der Lebens­dauer, sensible 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.

Blockdiagramm CVTS Schaltkreis der UMU

Leckstrom (Reststrom, Selbstentladung)

Der Leckstrom ergibt sich für eine Super­kondensator­zelle aus einer kom­plexen Funktion aus Spannung, Zeit und Tem­peratur. Super­konden­satoren mit mehreren in Reihe geschal­teten Zellen erfordern eine Ausgleichs­schaltung um sicherzustellen, dass alle Zellen annähernd die gleiche Span­nung haben. Der Grund dafür: der Leck­strom der einzelnen Super­konden­satorzellen ist unter­schiedlich, je nach Zeit, Temperatur und Spannung. Selbst wenn verschiedene Zellen während der Produktion hin­sichtlich des Leck­stroms aufei­nander abge­stimmt werden könnten, gibt es keine Garantie dafür, dass die Zellen iden­tisch altern, so dass ihre Leck­strom­funk­tionen im Laufe der Zeit von­einander abweichen. Ursache kann beispiels­weise eine unter­schied­liche räumliche Nähe einzelner Zellen zu einer Wärme­quelle sein (z.B. Leistungsverstärker).

Leckstrom ist stark temperaturanhängig

Da der Leckstrom sehr temperatur­abhängig ist, haben die Zellen dann unter­schied­liche Leck­ströme, unab­hängig davon, wie gut sie aufei­nander abge­stimmt sind. Abb.1 veran­schaulicht die Schwan­kungen des Leck­stroms einer Gruppe von GS203-Zellen bei Raum­tem­peratur. Es zeigt sich, dass der Leck­strom in den ersten 40 Stunden viel höher ist als der Gleich­gewichts­wert, den die Zellen schließlich erreichen werden. Diese frühe Phase wird als Diffusions­strom bezeichnet. Obwohl die Zelle ihre End­span­nung erreicht hat, nimmt sie immer noch Ladung auf, die für die weitere Wan­derung von Ionen in die Poren der Aktivkohle verwendet wird. Aus diesem Grund ist die Y-Achse in Abbil­dung 1 mit "Eingangs­strom" und nicht mit "Leck­strom" beschriftet. Supercap-Hersteller wie CAP-XX führen 100%ige Produktions­tests aller Teile auf Kapazität, ESR und Leck­strom durch, so dass alle ausge­lieferten Teile einen der Spezifi­kation entspre­chenden Leck­strom aufweisen.

Leckstrom in Supercaps: Starke Abhängigkeit von der Temperatur
Abb.1 Schwankungen des Leckstroms einer Population von GS203-Zellen bei Raumtemperatur

Beispiel: Diffusions- und Leckströme bei einem
Doppelzellen-Superkondensator mit 2 Zellen in Reihe

Da die Supercap-Zellen in Reihe geschaltet sind, müssen sich ihre Diffusions- und Leck­ströme ohne Ausgleichs­schaltung auf denselben Wert einstellen. Um diesen Gleich­gewichts­zustand zu erreichen, passen sich die Zell­spannungen so an, dass ihre Leck­ströme gleich werden. Ohne Ausgleichs­schaltung kann dies dazu führen, dass eine Zelle einer Über­spannung ausgesetzt wird und Schaden nimmt. Dies ist in Abbildung 2 dargestellt.

Hier stellen die magenta­farbene und die cyan­farbene Kurve die Spannungs-Leck­strom-Kurve für 2 Zellen in Reihe dar. Wenn die beiden Zellen das gleiche C haben und schnell aufgeladen werden, haben sie zunächst die gleiche Spannung. Da die beiden Zellen jedoch in Reihe geschaltet sind, müssen sie sich aus­gleichen, um den gleichen Leck­strom zu haben. Die Zelle mit dem niedri­geren Leckstrom (cyan­farbene Kurve) erhöht ihre Spannung, während die Zelle mit dem höheren Leck­strom (magenta­farbene Kurve) die Spannung verringert, bis ihre Leckströme gleich sind.

Die Zelle mit der cyan­farbenen Kurve läuft nun Gefahr, die Spannung zu überschreiten und vorzeitig zu altern, was zu einem erhöhten ESR und C-Verlust führt. Um das in Abb. 2 gezeigte Szenario zu verhindern, ist eine Ausgleichs­schaltung erforderlich. Die Ausgleichs­schaltung nimmt den Strom aus der Mitte zwischen den beiden Zellen auf oder ab, so dass der in jeder Zelle fließende Strom gleich ist.

Wenn Sie an weiteren Beispielen zu unterschiedlichen Ausgleichssschaltungen interessiert sind, fragen Sie diese bitte bei uns kostenfrei an. Bitte verwenden Sie hierfür unser Anfrage-Formular (Bitte mit Hinweis auf: Leckstrom-Ausgleichsschaltungen)

Diffusions- und Leckströme bei einem Doppelzellen-Superkondensator mit 2 Zellen in Reihe
Abb.2 Spannungs-Leckstrom-Kurve für 2 Zellen in Reihe

Leckstrom: Mit freundlicher Genehmigung von CAP-XX Ltd, Australia.
Übersetzung und redaktionelle Anpassung: Rainer Hake

Häufige Fragen

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  • UK Conformity
  • CE Conformity
  • EU RoHS
  • SDS Safety Data
  • TEC TSCA COC
  • EU REACH
  • CRRC
  • Halogen Free
  • et al
Warum werden Bauelemente wie Ultracaps unterschiedlich bezeichnet?

Die Begriffsvielfalt erklärt sich aus den in der Elektronik­branche üblichen englisch­spra­chigen Begriffen, die oft mit deutschen Bezeichnungen vermischt, bzw. synonym verwendet werden. Teil­weise wurden / werden auch von Herstellern Kunst­begriffe eingeführt, um sich von Wettbe­werbern besser zu unter­scheiden. Hier die wich­tigsten Beispiele:

Doppelschichtkondensatoren (DSK) werden gleich­bedeutend bezeichnet als:

  • EDLC (Electric Double Layer Capacitor)
  • Superkondensatoren [DE] = Supercapacitors [EN] = Supercaps [EN]
  • Ultrakondensatoren = Ultracaps
  • Goldcap™  [Panasonic]
  • Boostcap™  [Maxwell]
  • Greencap™  [Samwha]
  • PURIXEL™  [Pureechem] für Supercap-Zellen
  • PURETRON™  [Pureechem] für Supercap-Module

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