Ultracap-Wissen

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.

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.

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.

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.

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)

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