Anwendungen
Spannungsstabilisatoren für Fahrzeugbatterien
Superkondensatoren im Auto
Anwendungen | Rainer Hake | Lesedauer: 8 Minuten
Das Auto: Smart Applications werden zum Wettbewerbsvorteil
Wettbewerbsvorteile entstehen im Automobilmarkt immer häufiger durch sogenannte „smart applications“. Im Kern sind das vernetzte, hoch komplexe ITK-Anwendungen, die dem Kunden entweder mehr Komfort oder/und Sicherheit bieten. Die dazu notwendige Energie müssen immer kleiner werdende Superkondensatoren liefern. Von diesen wird eine immer höhere Impulsleistung bei praktisch unbegrenzter Lebensdauer verlangt. Supercap-Hersteller wie CAP-XX haben sich auf derart anspruchsvolle Anforderungen spezialisiert.
Superkondensatoren entlasten Primärbatterien
Einsatzszenarien von Supercaps [altern.: Ultracaps, Ultrakondensatoren, Superkondensatoren] gibt es zahlreiche. Sei es der Autoschlüssel, die Soundanlage, die Türverriegelung, der Fensterheber, Sitz- und Lenkradverstellung und andere elektromechanische Module. Alle verlangen vor allem in der Startphase eine hohe elektrische Leistung. Die dazu notwendigen Kabelquerschnitte können allerdings nicht größer werden, alleine aus ökonomischen Gründen. In den Phasen höchsten Energiebedarfs erweisen sich Superkondensatoren als perfekte Unterstützung für die Primärbatterien. Schon seit längerem haben sich Ultrakondensatoren bei der Spannungsstabilisierung bewährt. Beim Anlassen des Motors im Stopp-Start-Betrieb kann der Ultracap die Spannung halten und Unterbrechungen der Fahrzeugelektronik wie EMS, GPS, Radio usw. verhindern.
Supercaps in intelligenten Autoschlüsseln
Die Automobilhersteller haben die Funktionalitäten ihrer intelligenten Autoschlüssel (remote smart keys) erweitert, indem sie verschiedene Features integriert haben, beispielsweise verschlüsselte Sicherheitscodes, Fernsteuerung der Klimaanlage oder eine intelligente Ruf-Funktion. Aufgrund der geforderten größeren Funk-Reichweiten benötigen diese Funktionen jedoch sehr viel mehr Energie im Vergleich zur einfachen Ver- und Entriegelungsfunktion älterer Autoschlüssel. Die herkömmlichen Knopfzellenbatterien, die für Autoschlüssel überlicherweise verwendet werden, können diese gesteigerte Energieanforderung nicht ausreichend erfüllen. Die Folge: Autobesitzer müssten Batterien häufiger austauschen. Alternativ könnte die Gestaltung der Schlüsselanhänger an größere Batterien angepasst werden. Beide Optionen sind aus Usability- und Kostengründen nicht wünschenswert.
Die einfachste und effektivste Lösung stellt die Integration von CAP-XX-Superkondensatoren dar. Diese haben einen niedrigen äquivalenten Serienwiderstand (ESR) und ein ultradünnes prismatisches Design (Varianten DMF low ESR high power, DMT long life high temp oder DMH ultra-thin). Die Lösung für das Problem besteht in der einfachen Integration des Supercaps in das Gehäuse des Schlüsselanhängers. Die Energiespitzen werden vom Superkondensator abgefangen und zwingen die Primärbatterie nicht an die Leistungsgrenze zu gehen. Das Ergebnis: eine signifikante Verlängerung der Batterielebensdauer
Die Abbildung zeigt einen beschleunigter Test mit zwei CR2032-Batterien mit und ohne HA202-Superkondensator (120mF, 120mΩ), der ein (Blue Tooth Low Energy = BLE) BLE-Sendemodul mit kurzer Reichweite betreibt. Ein einzelnes BLE-Sendemodul verbraucht ca. 15 mA für etwa 50 ms, ähnlich wie die HF-Sendeleistung eines Smart Key. Der Test sendet einmal pro Sekunde, bis das Modul ausfällt. Eine typische neue CR2032-Batterie hat einen Innenwiderstand von ~10Ω. Wenn die Batterie entladen wird, steigt der Innenwiderstand auf über 60Ω. Wenn 15 mA gezogen werden, sinkt die Batteriespannung auf ~2 V, was dazu führt, dass die Elektronik ausfällt, während eine CR2032-Batterie, die von einem HA202 unterstützt wird, immer noch ~2,8 V aufweist. Dieser geringere Spannungsabfall ermöglicht es dem BLE-Sender, einen viel größeren Teil der Energie in der Batterie zu nutzen, bevor die Batterie leer wird, daher die in Abb. 1 beobachtete Verlängerung der Batterielebensdauer um 55 %.
Supercaps helfen Gewicht zu reduzieren
In einem modernen Auto befinden sich nicht weniger als 1.5 Kilometer an Verkabelung. Diese Kupferkabel liefern Strom, ermöglichen die Steuerung und sammeln Informationen im gesamten Fahrzeug. Mit zunehmendem Fokus auf eine bessere Kraftstoffeffizienz konzentrieren sich Automobilhersteller darauf, das Gewicht zu reduzieren, ohne dabei Funktionen einzuschränken. Der geringe äquivalente Serienwiderstand (ESR) und hohe Kapazität (C) eines Superkondensators kompensieren die Auswirkungen der Kabelimpedanz auf die Versorgungsspannung. Dadurch kann ein dünnerer Draht verwendet werden, was zu einer Reduzierung des Gewichts der elektrischen Kabel führt.
Kleinere Kabeldurchmesser in Audiosystemen, ganz ohne Störung
Ein System, das davon stark profitieren kann, ist das Audiosystem. Die hochwertigen Lautsprecher, die für den beeindruckenden Klang verantwortlich sind, haben oft eine Leistung von über 200W. Um solch einen hohen Strombedarf zu decken, müssen Automobilhersteller viel dickere Stromkabel verwenden, um harmonische Störungen aufgrund von Spannungsschwankungen in der Versorgungsschiene aufgrund der Kabelimpedanz zu eliminieren.
Die extrem niedrige ESR und gute Frequenzantwort der CAP-XX-Supercapacitors sorgen dafür, dass die Versorgungsschiene des Audiogeräts stabil bleibt, so dass dünnere Kabel verwendet werden können. Dies spart erhebliches Gewicht und bietet gleichzeitig eine unvergleichliche Audioqualität.
Elektromechaniken mit hohen Anlaufströmen - Supercaps helfen
Verschiedene elektromechanische Module, die für Türverriegelung, Fensterheber, elektrische Sitz- und Lenkradverstellung verantwortlich sind, erfordern nur eine hohe Leistung, um die Trägheit zu überwinden und den Anlaufstrom des Motors bereitzustellen. Anschließend wird nur noch eine geringere Leistung benötigt, bis die Aktion abgeschlossen ist. Solche Module können von einem integrierten Superkondensator profitieren: Dieser deckt die Spitzenlast ab - die dünnere Verkabelung reicht dann nach den Anlaufspitzen für die durchschnittliche Leistung völlig aus.
Ein weiteres Beispiel ist der Blinker mit einem Tastverhältnis von 50%. Ein Superkondensator liefert den Spitzen-Blinkstrom, während die Verkabelung für den durchschnittlichen Strom dimensioniert ist.
Supercaps sind die Notstromversorgung im Auto
Moderne Fahrzeuge sind so konzipiert, dass sie über mehrere Systeme zum Schutz der Insassen verfügen. Alle diese Sicherheitssysteme hängen von der elektrischen Anlage ab. Jeder Ausfall des elektrischen Systems kann eine Katastrophe bedeuten. Superkondensatoren können dazu beitragen, dieses Risiko zu mindern. Ein Superkondensator ist nicht nur in der Lage, eine hohe Impulsleistung zu liefern, sondern speichert auch eine beträchtliche Menge an Energie. Diese steht dann bereit wichtige Fahrzeugsysteme für kurze Zeit mit Strom zu versorgen, so dass bei einem Ausfall des elektrischen Systems ein sicherer Halt möglich ist. Mit einer praktisch unbegrenzten Zyklusdauer ist ein Superkondensator eine sehr zuverlässige Reserveenergiequelle.
Mit freundlicher Genehmigung von CAP-XX Ltd, Australia. Übersetzung und redaktionelle Anpassung: Rainer Hake
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