Lithium-Ionen-Kondensatoren helfen Ihnen bei der Bereitstellung hochwertiger Energie in rauen Umgebungen

Wenn Sie bereits an dezentralen Energielösungen mit wiederaufladbaren Batterien oder elektrischen Doppelschicht-Superkondensatoren (EDLCs) gearbeitet haben, kennen Sie deren Grenzen. Bei Batterien gibt es Kompromisse in Bezug auf Umweltverträglichkeit, Systemgröße und Sicherheit, die die Kosten erhöhen und ihre Effektivität verringern. EDLCs können einige dieser Probleme lösen, haben aber für viele Anwendungen einfach nicht die erforderliche Energiekapazität.

Um diese Einschränkungen zu überwinden, können Sie auf Lithium-Ionen-Kondensatoren (LICs) zurückgreifen, die auch als Hybrid-Superkondensatoren bezeichnet werden. Falls Sie noch nicht damit vertraut sind: LICs sind asymmetrische Komponenten, die zwei verschiedene Technologien miteinander verbinden; die Kathode entspricht einem Superkondensator, die Anode einer Li-Ionen-Batterie (Abbildung 1). Aufgrund ihrer asymmetrischen Struktur eignen sich LICs gut für Netzqualitätsanwendungen, die von hoher Energiedichte, hoher Leistungsdichte, Umweltverträglichkeit und Langlebigkeit profitieren können.

Abbildung 1: LICs vereinen zwei verschiedene Technologien in einer asymmetrischen Struktur; die Anode ähnelt einer Li-Ionen-Batterie und die Kathode einem Superkondensator. (Bildquelle: Eaton)

LICs können eine Notstromversorgung und einen Schutz vor Spannungseinbrüchen bei Stromspitzen bieten. In Industrieanlagen wie Chemieanlagen und der Halbleiterfertigung kann schon eine kurze Störung der Stromqualität zu kostspieligen Ausfallzeiten führen. Stromausfälle können den Betrieb von Cache-Speichern, RAID-Systemen und Speicherservern in Rechenzentren stören.

Betrachten wir drei Beispiele für LICs, die sich für den Einsatz in Netzqualitätsschutzanwendungen am Netzrand eignen, jeweils eines von Eaton, Taiyo Yuden und der Tecate Group, und schließen wir mit einem kurzen Blick auf einige Designüberlegungen, die Sie beim Einsatz von LICs beachten müssen.

LICs für den Betrieb bei bis zu -25 °C

Viele LICs haben einen Betriebstemperaturbereich von -15 °C bis +70 °C. Wenn Ihre Anwendung jedoch in einer kälteren Umgebung arbeiten muss, bietet Eaton den HSL1016-3R8306-R an, einen 30 Farad (F) LIC, der für den Betrieb bis -25 °C spezifiziert ist (Abbildung 2). Dieser LIC ist für mehr als 250.000 Ladezyklen bei 20°C Umgebungstemperatur ausgelegt und hat eine wartungsfreie Lebensdauer von bis zu 20 Jahren. Er liefert eine bis zu achtmal höhere Energiedichte als herkömmliche Superkondensatoren.

Abbildung 2: Der HSL1016-3R8306-R ist ein 30 F LIC, der bei bis zu -25 °C arbeitet und für mehr als 250.000 Ladezyklen bei 20 °C Umgebungstemperatur ausgelegt ist. (Bildquelle: Eaton)

LIC für Hochtemperaturbetrieb

Der 100 F LIC LIC1840RH3R8107 von Taiyo Yuden erfüllt die Anforderungen heißer Industrie- und Außenumgebungen und ist für den Betrieb bei bis zu 85 °C mit einem äquivalenten Serienwiderstand (ESR) von 75 Milliohm (mΩ) ausgelegt (Abbildung 3). Dieser LIC hat einen Betriebsspannungsbereich von 2,2 V bis 3,8 V bei 85 °C und einen Spannungsbereich von 2,5 V bis 3,5 V bei 105 °C, wodurch er für den Einsatz bei hohen Temperaturen geeignet ist. Diese LICs zeichnen sich durch geringere Kapazitätsminderungsraten und verbesserte Innenwiderstandsänderungen beim Einsatz bei erhöhten Temperaturen aus.

Abbildung 3: Der LIC1840RH3R8107 ist ein Hochtemperatur-LIC, der 3,8 Volt bei bis zu 85 °C verarbeiten kann. (Bildquelle: Taiyo Yuden)

450 F für Hochenergieanwendungen

Wenn Sie eine Anwendung entwickeln, die von einer hohen Energiedichte profitieren kann, ist der für 450 F ausgelegte TPLC-3R8/450MR18X40 der Tecate Group vielleicht genau das Richtige für Sie, da es das stärkste Bauteil in der Familie der 18 LICs des Unternehmens ist (Abbildung 4). Das Bauteil ist für eine Dauerstromstärke von 2,25 Ampere (A) und eine Spitzenstromstärke von 14,1 A ausgelegt. Es misst 18 Millimeter (mm) im Durchmesser und 40 mm in der Höhe und wiegt 18 Gramm (g). Der TPLC-3R8/450MR18X40 hat eine prognostizierte Lebensdauer von 500.000 Zyklen und eine Lebensdauer von 1000 Stunden, wenn er bei seiner Nennspannung und maximalen Betriebstemperatur betrieben wird.

Abbildung 4: Der TPLC-3R8/450MR18X40 (hintere Reihe, Mitte) ist mit 450 F der LIC mit der größten Kapazität in der TPLC-Serie der Tecate Group. (Bildquelle: Tecate Group)

Entwickeln mit LICs

Wie andere Superkondensatoren haben auch LICs Spannungen, die linear von ihrem Ladezustand abhängen. Bei Anwendungen, die eine stabile Betriebsspannung aus einer einzigen Zelle benötigen, ist ein aufwärts wandelnder Spannungswandler erforderlich. Bei Entwürfen mit mehreren in Reihe geschalteten LICs kann ein Abwärtswandler zur Stabilisierung der Spannung oft von Vorteil sein.

Im Gegensatz zu anderen Superkondensatoren, die bis auf null Volt entladen werden können, sind LICs in der Regel auf eine Mindestentladespannung von 2,2 Volt begrenzt, um Schäden zu vermeiden. Für einen zuverlässigen Betrieb ist ein Zellenmanagementsystem (CMS) erforderlich. Das CMS stoppt die Entladung der LICs bei etwa 2,2 Volt und sorgt für den Ausgleich der Zellenspannungen in Designs mit mehreren Zellen in Serie. Während Standard-EDLCs in der Regel innerhalb von 30 Sekunden entladen werden, dauert die Entladung bei LICs einige Minuten - ein wichtiger Unterschied bei Lösungen für die Netzqualität am Netzrand.

Die Lebensdauer eines LIC hängt direkt von der angelegten Spannung und der Betriebstemperatur ab. Höhere Temperaturen und höhere Betriebsspannungen verringern die Lebensdauer der LICs. Der wichtigste Parameter zur Maximierung der Lebensdauer ist die Senkung der Betriebsspannung, die durch die Reihenschaltung mehrerer Zellen erreicht werden kann.

Fazit

LICs bieten eine großartige dritte Option bei der Entwicklung von verteilten Netzqualitätslösungen für raue Umgebungen. Ihre Hybridstrukturen vereinen Aspekte von Li-Ionen-Batterien und EDLCs in einer einzigen Komponente. Sie bieten lange Zykluszeiten und hohe Energiedichten, und ihre verlängerte Entladung über einige Minuten statt Sekunden kann ein wichtiger Unterschied bei Stromqualitätslösungen am Netzwerkrand sein. LICs können kleinere, robustere und sicherere Lösungen produzieren. Natürlich ist eine gute Systemgestaltung erforderlich, um den größtmöglichen Nutzen zu erzielen.