Eaton Electronics zählt zu den führenden Anbietern von Superkondensatoren. Das Produktportfolio umfasst Dutzende von Serienin verschiedenen Ausführungen (von Miniaturen bis hin zu Modulen für Nutzfahrzeuge). Das Unternehmen bietet sowohl Komponenten aus klassischer Fertigung als auch innovative, patentierte Lösungen aus eigener Entwicklung. Dieses Portfolio eröffnet Entwicklern und Herstellern von elektrischen und elektronischen Geräten vielfältige Möglichkeiten. Im Folgenden geben wir Ihnen einen Überblick über die in unserem Katalog verfügbaren Eaton-Superkondensatorensowie über mögliche Anwendungen und vom Hersteller empfohlene Designlösungen.

Dieser Artikel behandelt Themen wie:

• Konstruktionsunterschiede zwischen verschiedenen Superkondensatortypen
• Komponenten der Eaton-Serie und ihre Merkmale
• Vorteile von Hybridlösungen
• Superkondensatoren für IoT-Geräte und verwandte Anwendungen
• Kondensatoren für Hochleistungsschaltungen
• Bewährte Verfahren bei der Verwendung von Superkondensatoren
• Ausgleichsmethoden für Netzteile
• Wozu werden Superkondensatoren in IoT- und LoRa-Systemen eingesetzt?
• Verlängerung der Lebensdauer von Batterien in Elektrofahrzeugen

Eaton Superkondensator-Serie und ihre Merkmale

Die größte Stärke der Superkondensatoren von Eaton liegt in ihrer Vielfalt. Dies zeigt sich in mehreren Aspekten: Das Portfolio umfasst Komponenten mit Kapazitäten, Größen und damit auch Anwendungsbereichen. Darüber hinaus bietet Eaton seinen Produkten vielfältige Eigenschaften, darunter Typen mit niedrigem ESR-Wert, Komponenten für hohe Spannungen, einen breiten Temperaturbereich (-40 bis +85 °C)und vieles mehr.

Einteilung nach strukturellen Merkmalen

Die Zusammensetzung des in Superkondensatoren verwendeten Elektrolyten hat einen erheblichen Einfluss auf deren Leistungsfähigkeit. Eatons Angebot lässt sich anhand dieser Kriterien in verschiedene Gruppen unterteilen, darunter drei im Folgenden beschriebene sowie Hybridlösungen, die in einem separaten Abschnitt behandelt werden.

Propylencarbonat

Propylencarbonat, das in Serien wie B, HB, KR und KW verwendet wird, ist eine nicht brennbare, umweltfreundliche Verbindung mit hervorragenden thermischen Eigenschaften , die einen Betrieb im Temperaturbereich von -25 °C bis 70 °C ermöglicht. Diese Kondensatoren unterliegen keinen Transportbeschränkungen. Ein Nachteil ist ihre relativ niedrige maximale Ladespannung von 2,5 V.

Acetonitril

Acetonitril ermöglicht deutlich höhere Kapazitäten (bis zu 80 % mehr) , Spannungen bis zu 2,7 V und einen geringeren äquivalenten Serienwiderstand (ESR) . Bauteile mit diesem Elektrolyten sind bis zu -40 °C temperaturbeständig . Allerdings setzen sie im Brandfall giftige Dämpfe frei, was zu gewissen Anwendungsbeschränkungen führt. Acetonitril wird in Serien wie HV, XV, XL60 2,7V, XVM und XLM verwendet.

Eaton-eigene Rezepturen

Die Superkondensatoren der Serien TV, XT und XL60 (3,0 V) enthalten proprietäre Elektrolyte , die optimale Leistung gewährleisten. Diese Bauteile sind etwas teurer, bieten aber hohe Kapazität, geringen Leckstrom, niedrigen ESR-Wert, Spannungen bis zu 3 V und die höchste verfügbare Leistungsdichte.

Eaton-Serienübersicht

Um Eatons vielfältiges Angebot an Superkondensatoren besser zu verstehen, ist es hilfreich, die Segmentierung der Komponenten nach Serien zu betrachten. Jede Gruppe zeichnet sich nicht nur durch einzigartige Konstruktionsmerkmale aus, sondern ist auch für spezifische Anwendungen optimiert.

Standard-Zylindersuperkondensatoren

In vielen Schaltungen, wie beispielsweise Umrichtern und Spannungsstabilisierungssystemen, werden Superkondensatoren vor allem aufgrund ihrer hohen Kapazität und ihres niedrigen ESR eingesetzt. Diese Anwendungen erfordern Bauteile in standardisierten zylindrischen Bauformen mit Durchsteckmontage (THT). Die Serien B, HB und HV sind Eatons typischste Produkte in dieser Kategorie.

B1010-2R5155-R
 Serie B

HB1840-2R5606-R
HB-Serie

HV1325-2R7156-R
HV-Serie

Die Komponenten der B-Serie eignen sich für Schaltungen in unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USV), Schaltnetzteilen und Netzwerksystemen . Die HB- und HV- Serien bieten Komponenten mit höheren Kapazitätswerten ( bis zu 110 µF ), die sich ideal für anspruchsvollere Anwendungen wie Solaranlagen, Leistungstransmitter und dank ihres geringen Leckstroms und des Temperaturbereichs von -25 °C bis 85 °C auch für Gas- und Wasserzähler sowie andere Messgeräte oder Sensoren mit drahtlosen Kommunikationsmodulen eignen .

Hybridtechnologie

Eatons patentierte Hybrid-Superkondensatortechnologie nutzt zwei Elektrodenarten: eine, die wie bei Standardkondensatoren aufgebaut ist, und eine andere, die der Batterietechnologie ähnelt. Dies führt zu außergewöhnlichen Produkteigenschaften, darunter eine Lebensdauer von bis zu 20 Jahren unter optimalen Bedingungen.

HS1016-3R8306-R
HS-Serie

HSL1016-3R8306-R
   HSL-Serie

Ein wesentliches Merkmal von Hybridkondensatoren ist ihr wartungsfreier Betrieb. In Kombination mit herkömmlichen Batterien eignen sie sich aufgrund ihres geringen Leckstroms hervorragend als Stromquelle für entfernte Geräte (Sensoren, Messgeräte) . Dank ihrer niedrigen ESR- Werte sind sie ideal für Schaltungen mit hohem Leistungsbedarf, wie z. B. Notstromversorgungen für Industrieanlagen, medizinische Geräte oder Alarmsysteme .

Flache und Miniaturversionen

Superkondensatoren sind eine ideale zusätzliche Energiequelle für Anwendungen, die kurzzeitig oder intermittierend relativ hohe Ströme. Diese Eigenschaft wird beispielsweise in IoT-Geräten (Internet der Dinge) genutzt, wo die Komponente mit einem geringen Strom aus Solarzellen, Generatoren oder Batterien geladen und anschließend zur Versorgung eines HF-Moduls, Signalgebers, Aktors oder anderer Hochleistungskomponenten.

KR-5R5H224-R
   KR-Serie

KVR-5R0V155-R
  KVR-Serie

KW-5R5C224-R
       KW-Serie

Eaton bietet flache Kondensatoren und Knopfzellen für IoT- und RTC-Backup-Schaltungen (sowie die unten beschriebenen Miniaturbauteile). Sie arbeiten mit 5 V oder 5,5 V Gleichspannung und weisen Kapazitäten von 0,1 F bis 1,5 F auf . Die Anschlüsse sind für die THT-Montage mit 5 mm oder 10 mm Rastermaß ausgelegt .

PHB-5R0V305-R
  PB und PHB-Serie

PHV-5R4H505-R
  PHV-Serie

PHVL-3R9V505-R
 PHVL-Serie

PM-5R0V104-R
   PM-Serie

Kompakte Superkondensatoren sind auch in rechteckiger Bauform mit Kapazitäten bis zu 5 F. Besonders hervorzuheben sind die Modelle der PHVL-Serie, die sich durch den niedrigsten Leckstrom (nur 1 µA) und einen Temperaturbereich von -40 °C bis 85 °C. Dank dieser beeindruckenden Eigenschaften eignen sie sich ideal für Anwendungen wie die Stromversorgung von Echtzeituhren und flüchtigen Speichern sowie zur Bereitstellung von Backup- und Stabilisierungsstrom bei Netzspannungswechseln in wiederaufladbaren Geräten.

Erhöhte Kapazität und Betriebsspannung

Die Kondensatoren der Serien XL60, XV und XB zeichnen sich durch ihre hohe Kapazität. Diese Bauteile sind für Leistungsanwendungen und Hochstromkreise konzipiert, beispielsweise für regenerative Bremsmodule in Elektrofahrzeugen (EVs, Hybriden), Anlasser und Schaltungenin Industriemaschinen.

XL60-2R7308T-R
 XL60 Serie (Leistung 1kF, 2,7V)

XV3560-2R7407-R
XV-Serie (300…600F, 2,7V)

XB3585-2R5607-R
XB-Serie (300…600F, 2,5V)

Die höchste verfügbare Kapazität (3 kF bei 2,7 V DC) bietet die XL60-Serie. Diese zylindrischen Superkondensatoren mit Schraubklemmengewährleisten einen minimalen Anschlusswiderstand und ermöglichen somit die Lieferung sehr hoher Ströme. Sie zeichnen sich außerdem durch einen hohen Wirkungsgrad (über 98 %). Der Hersteller empfiehlt sie für anspruchsvollste Anwendungen, darunter schwere Maschinen (Krane, Bau- und Bergbaumaschinen) sowie Lkw. Dank ihrer hohen Kapazität eignen sie sich zur Dämpfung von Spannungsschwankungen in Stromversorgungsschaltungen.

TV1020-3R0605-AP
   Fernsehserie (3V, 3.3…100F)

TVA1840-3R0606-R
   TVA-Serie (3V, 25…100F)

Eaton verwendet für seine TV-Kondensatoren Materialien, die für höchste Leistungsdichte und Kapazität (bis zu 100 F) bei gleichzeitigem Verzicht auf umweltschädliche Substanzen entwickelt wurden . Die TVA-Komponenten entsprechen zudem der Norm AEC-Q200 und sind somit für den Einsatz in der Automobilindustrie geeignet . Sie eignen sich besonders als eigenständige Stromquellen oder in Kombination mit herkömmlichen Batterien zur Versorgung von Zentralverriegelungen und Aufnahmegeräten . Auch in Bordnetz-Spannungsstabilisatoren , die Fahrzeugkomponenten (einschließlich neuerer Fahrzeuge mit 48-V-Gleichstromsystem) mit Strom versorgen, ist ihr Einsatz vorgesehen

XLR-Pakete

Die oben beschriebenen XL60-Superkondensatoren werden in werkseitig bestückten Gehäusen der XLR-Serie angeboten. Ein einzelnes Modul kann für Gleichspannungen von 16,2 V, 48,6 V oder 51,3 V (modellabhängig) ausgelegt werden und bietet einen Kapazitätsbereich von 160 µF bis 500 µF. Jedes Gehäuse verfügt über eine kompakte Bauform mit Ausgleichsschaltung, die einen Überspannungs- und Überhitzungsschutz für die Komponenten beinhaltet. Diese Produkte sind für Branchen wie Güter- und öffentlichen Verkehr (Straße, Schiene, Schifffahrt) sowie Schwermaschinenbau. Dank ihrer kombinierten Kapazität und der hervorragenden Eigenschaften der XL60-Kondensatoren können diese Module andere Stromquellen ersetzenund so zu geringeren Betriebskosten, reduziertem Rauschen und höherer Stabilität von Stromversorgungssystemen beitragen.

XLR-16R2507-R
Das Paket enthält Hochstrom-Schraubanschlüsse und ein Überwachungskabel.

Besondere Merkmale und Designüberlegungen

Der Einsatz von Superkondensatoren in Schaltungen erfordert ähnliche Überlegungen wie der von Kondensatoren mit kleineren Kapazitäten. Diese Bauelemente dienen jedoch auch dazu, größere Energiereserven über längere Zeiträume zu speichern. Dies bringt zusätzliche Einschränkungen mit sich, die bei der Entwicklung von Schaltungen und Geräten berücksichtigt werden müssen.

Basispaketschutz

Zunächst muss die Schaltung sicherstellen, dass die Kondensatoren vor Verpolungsspannung geschützt, was bedeutet, dass sie Gleichrichterdioden zur Steuerung des Stromflusses enthalten muss.

Vorzeitiger Abbau

Aufgrund ihrer hohen Leistungsfähigkeit und der Elektrolytdegradation in Superkondensatoren ist es unerlässlich, die Veränderung der nominalen Bauteileigenschaften im Laufe der Zeit durch Alterung und Nutzung bereits in der Entwicklungsphase zu berücksichtigen. Parameteränderungen erfolgen naturgemäß langsam: Bei Bauteilen der Marke Eaton sollte dies über einen Zeitraum von 10 Jahren betrachtet werden. Daher empfiehlt es sich, für Anwendungen wie USV-Schaltungen oder medizinische Geräte mit einer Kapazitätsreduzierung von 20 % und einer 1,7-fachen Erhöhung des ESR zu rechnen. Für industrielle Maschinensteuerungen und Netzteile sollte die Toleranz auf -30 % Kapazität und eine Verdopplung des ESR festgelegt werden, während für Automobilsysteme (wo Kondensatoren der intensivsten Beanspruchung ausgesetzt sind) eine Kapazitätsreduzierung von 50 % und eine Verdreifachung des ESR sinnvoll ist.

Auswahl der geeigneten Spannung

Mehrere Faktoren, wie beispielsweise die Betriebstemperatur , beeinflussen die Degradation; die maximale Betriebsspannung von Kondensatoren hat jedoch den größten Einfluss. Die effektivste Methode zur Verlängerung der Lebensdauer besteht darin, die Spannung unterhalb ihres Nennwerts (idealerweise um 85 %) zu halten und Entladeelemente für Kondensatoren einzusetzen, wenn keine Energiespeicherung benötigt wird (z. B. nach dem Abschalten einer Maschine).

Thermische Betrachtungen

Wie bereits erwähnt, beeinträchtigen hohe Temperaturen auch die Lebensdauer von Superkondensatoren . Bei der Entwicklung des Geräts ist es daher wichtig, dieses Phänomen zu berücksichtigen und die Bauteile thermisch optimal zu positionieren. Dies bedeutet vor allem, die Kondensatoren von typischen Wärmequellen im Schaltkreis, wie Transistoren, Verstärkern, Induktivitäten usw., fernzuhalten.

Kondensatoranschluss und Gehäuseausgleich

Aufgrund ihrer Eigenschaften sind Superkondensatoren auf relativ niedrige Spannungen (typischerweise 2,7 V, maximal 3 V) beschränkt. Da dies für die meisten Anwendungen nicht ausreicht, werden die Bauteile in Gehäusen in Reihe geschaltet. Hierbei müssen zwei Hauptprobleme gelöst werden. Erstens ist es angesichts der bereits erwähnten thermischen Empfindlichkeit entscheidend, eine gleichmäßige Temperaturverteilung zwischen den Bauteilen zu gewährleisten. Dies verhindert vorzeitigen Verschleiß einzelner Elemente, der zu einem Stromausfall führen könnte. Das zweite Problem ist der Ausgleichder Kondensatoren im Gehäuse, um einen gleichmäßigen Lade-/Entladezustand zu gewährleisten. Ohne ein solches System kann sich die Lebensdauer der Kondensatoren im Gehäuse auf nur 20–50 % ihrer ursprünglichen Lebensdauer reduzieren.

Ausgleichsverfahren lassen sich in dissipative Verfahren, die kontrollierte Energieverluste ( passive und aktive Systeme) beinhalten, und nicht-dissipative Verfahren (indirekt und direkt), die komplexe Spannungsregelungsschaltungen wie Stabilisatoren oder Wandler nutzen. Die Wahl des Verfahrens hängt nicht nur von der gewünschten Verlängerung der Lebensdauer des Systems ab, sondern auch von Faktoren wie Kosteneffizienz und Fertigungsmöglichkeiten. Die wichtigsten Merkmale dieser Verfahren werden im Folgenden dargestellt.

• Ein passiver Lastregler erhält die Lebensdauer von Kondensatoren bei 70–90 % und ist daher die bevorzugte Lösung in Systemen mit seltenen (mindestens täglichen) Lade-Entlade-Zyklen und stabilen Umgebungstemperaturen. Diese Systeme verwenden Widerstände oder Zenerdioden, die parallel zu den einzelnen Kondensatoren im Gehäuse geschaltet sind. Bei Verwendung von Dioden ist auf die Kühlung der Bauteile zu achten. Widerstände sollten den kleinstmöglichen Wert aufweisen, sofern der Strom durch sie das Zehnfache des Nennleckstroms des Kondensators nicht überschreitet.
• Aktive Systeme basieren auf Operationsverstärkernund bieten niedrige Implementierungskosten. Sie eignen sich für Gehäuse, bei denen die Kapazität der einzelnen Zellen 100 F nicht überschreitet. Eaton hat ein eigenes Design für einen solchen Balancer entwickelt und patentiert (das Schaltbild ist für Interessierte frei verfügbar), das für die Verwendung mit den Superkondensatoren des Unternehmens optimiert ist. Eaton bietet außerdem eine Variante des Designs für Hochleistungsgehäuse mit Komponenten über 100 F an.
• Verlustfreie Verfahren erfordern häufig spezielle integrierte Schaltungen. Viele solcher Produkte sind kommerziell erhältlich und speziell auf die Eigenschaften von Superkondensatoren zugeschnitten. Sie verfügen über Spannungsbegrenzer , die die Umgebungstemperatur berücksichtigen und den Verschleiß einzelner Kondensatoren überwachen (z. B. durch Erzeugung eines Signals, das eine Kapazitätsreduzierung anzeigt). Alternativ kann die Kapazitätsanpassung auch mithilfe von Schaltungen auf Basis von Aufwärts-/Abwärts-Spannungsreglern.

Anwendungsbeispiele

Im Text werden häufig typische Anwendungen von Superkondensatoren erwähnt, die hier anhand detaillierterer Beispiele zusammengefasst werden. Diese Anwendungen lassen sich in zwei Kategorien einteilen: Schaltungen mit hohem Leistungsbedarf und solche, bei denen der Superkondensator als kompakte Stromquelle.

Hochleistungsanwendungen umfassen vor allem Geräte zur kurzzeitigen Energiegewinnung und -abgabe. Beispiele hierfür sind Motorstarter, unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV), regenerative Bremssysteme in Elektrofahrzeugen und temporäre Energiespeicher in Kraftwerken. Diese nutzen die Fähigkeit des Superkondensators, schnell große Energiemengen aufzunehmen und abzugeben. Die zweite Anwendungsart ist nahezu gegensätzlich: Schaltungen, die mit sehr geringen Strömen arbeiten (z. B. Fernsensoren), die mitunter tagelang inaktiv bleiben und periodisch aktiviert werden, um bestimmte Aufgaben auszuführen (z. B. Datenübertragung, Ansteuerung eines Servomechanismus usw.). Hier dient der Superkondensator als Notstromversorgung.

IoT-Kommunikationsanwendungen

Fernsteuergeräte (z. B. Feldsensoren, fernablesbare Wasser-/Gaszähler) benötigen Kommunikationsmodule, ebenso wie IoT-Schaltungen, bei denen die Datenübertragung eine Hauptfunktion darstellt. Bei Verwendung von Bluetooth oder WLANbieten Superkondensatoren möglicherweise keine signifikanten Vorteile; diese Standards weisen jedoch Einschränkungen auf. Bluetooth hat eine geringe Reichweite (bis zu wenigen Metern), während WLAN Schaltungen benötigt, die permanent mit Hunderten von Milliampere versorgt werden, was für viele Anwendungen nicht optimal ist. Daher werden alternative Lösungen wie LoRa ( Long Range) und NB (Narrow Band). Diese Technologien ermöglichen die periodische Datenübertragung (z. B. einmal täglich) über große Entfernungen. Dadurch bleiben die sendenden Geräte die meiste Zeit im Ruhemodus und werden nur aktiviert, um Daten (Sensorwerte, Geolokalisierung usw.) zu erfassen oder an ein Überwachungsgerät zu senden.

In solchen Projekten bietet die Kombination von Batterien und Superkondensatoren klare Vorteile: Die Batteriezelle liefert sehr geringe Energiemengen (50 μA), um den Betrieb der Schaltung aufrechtzuerhalten (sogar über mehrere Jahre, wie beispielsweise bei Wasserzählern). Der Kondensator versorgt hingegen ausschließlich das Kommunikationsmodul und gewährleistet so eine maximale Reichweite. Diese Konfiguration bietet mehrere Vorteile: Sie kann bei sehr niedrigen Temperaturen (Superkondensatoren weisen eine höhere thermische Toleranz auf). Die Reduzierung der Batterielast (oft in Form einer einzelnen Batteriezelle oder Knopfzelle) verlängert deren Lebensdauer (nicht nur die Anzahl der Ladezyklen). Wird Energie beispielsweise durch kleine Photovoltaikzellen zugeführt, wäre zum Laden einer Lithium-Ionen-Batterie ein Laderegler erforderlich, während eine analoge Schaltung für Superkondensatoren deutlich einfacher ist und weniger Verluste verursacht.

Verlängerte Lebensdauer des Elektrofahrzeugpakets

Eatons Forschungseinrichtungen ermöglichten dem Unternehmen umfangreiche Studien zur Entwicklung von Elektrofahrzeugen . Im Fokus standen die erwarteten Vorteile des Ersatzes des „klassischen“ Energiesystems mit Lithium-Ionen-Batterien (oder Wasserstoff-Brennstoffzellen) durch eine Hybridlösung, die einen Akku mit einem Superkondensator kombiniert . Während der Akku auf hohe Energiedichte (d. h. Kapazität) ausgelegt ist , zeichnet sich der Superkondensator durch hohe Leistungsdichte aus . Die optimale Lösung besteht daher darin, je nach Betriebsparametern des Motors Energie aus beiden Quellen zu beziehen: Die Batterien liefern Strom bei gleichmäßiger Fahrt oder sanfter Beschleunigung, während die Superkondensatoren bei abrupten Geschwindigkeitsänderungen unterstützen (indem sie effizient Energie aus dem regenerativen Bremssystem bereitstellen oder speichern) . Die Experten von Eaton kamen zu dem Schluss, dass die prognostizierte Lebensdauer von vier Jahren für Batterien in Nutzfahrzeugen (Transportern und Gabelstaplern) durch den Einsatz eines Hybridenergiesystems verdoppelt werden könnte . Darüber hinaus würde dies die Größe des Akkus reduzieren, was wiederum zu einem geringeren Fahrzeuggewicht und niedrigeren Betriebskosten (bzw. einer höheren Rentabilität bei Transportfahrzeugen) führen würde.

Artikel bereitgestellt von Transfer Multisort Elektronik Sp. z o o