Realisierung von DC-USV-Lösungen mit Supercaps

Fällt in einem Krankenhaus das öffentliche Stromversorgungsnetz aus, versorgen innerhalb von 15 Sekunden die hochfahrenden Notstromaggregate wieder alle wichtigen Systeme mit Strom. Allerdings muss bis dahin der zuverlässige Betrieb von lebenserhaltenden oder kritischen Systemen mithilfe von unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USV) zu jeder Zeit gewährleistet werden. Supercaps bieten beeindruckende Eigenschaften und Einsatzmöglichkeiten für die unterbrechungsfreie Stromversorgung.

In der robotisch-assistierten Chirurgie wäre es fatal, wenn während einer laufenden Operation die Instrumente an den Enden der motorgesteuerten Roboterarme aufgrund eines Stromausfalles – sei er auch noch so kurz – dem Patienten Verletzungen oder Schäden zufügen würden. In einem solchen Fall muss zwingend sichergestellt sein, dass das Instrument in eine definierte Grundposition zurückfährt beziehungsweise der Operateur die Kontrolle behalten kann.

Bild 1a: Zuverlässiger Betrieb von lebenserhaltenden oder kritischen Systemen im Krankenhaus mithilfe von unterbrechungsfreien Stromversorgungen. Bicker Elektronik & Fotolia Syda Productions

Meist kommen hierfür batteriegestützte USV-Lösungen zum Einsatz, die jedoch nicht wartungsfrei sind, sondern turnusgemäß den Austausch alternder Batteriepacks erfordern und somit im Ernstfall ein Sicherheitsrisiko darstellen. Dieses Risiko beruht hauptsächlich auf der Tatsache, dass eine klassische Batterie (Blei oder Li-Ionen) jederzeit ausfallen kann, obwohl die Akkukapazitätsanzeige Restenergie indiziert. Erst wenn die Batterie belastet wird, bricht die Spannung ein.

Manche Leser haben sicherlich schon einmal die Erfahrung mit ihrem Mobiltelefon oder Auto gemacht, dass ohne Vorwarnung die Batterie ausfällt: Die Akkustand-Anzeige im Mobiltelefon fällt innerhalb weniger Minuten von 80 auf 10 Prozent oder das Fahrzeug lässt sich plötzlich nicht mehr starten. Als alternativer Energiespeicher bieten sich Doppelschicht-Kondensatoren (EDLC, Electric Double-Layer Capacitor) an, auch bekannt als Ultrakondensatoren oder Supercaps. Im Gegensatz zu Batterien, die Energie über den Umweg einer chemischen Reaktion speichern, basieren Supercaps auf elektrophysikalischen Prinzipien und sind innerhalb kürzester Zeit geladen und einsatzbereit, arbeiten in einem weiten Temperaturbereich (-40 bis 85 °C) und überzeugen mit hoher Strombelastbarkeit, Leistungsdichte und Zuverlässigkeit. Aufgrund der hohen Zyklenfestigkeit (>500.000 Be- und Entladezyklen) weisen DC-USV-Systeme mit Doppelschicht-Kondensatoren eine besonders lange Lebensdauer und einen weiten Betriebstemperaturbereich auf. Für das medizinische Gesamtsystem bedeutet dies eine Erhöhung der langjährigen Verfügbarkeit bei gleichzeitiger Minimierung des Wartungsaufwandes. Auch nach dem Erreichen der EOL (End of Life) ist ein Doppelschicht-Kondensator nicht defekt, sondern weist lediglich eine vordefinierte

Bild 1: Schematischer und stark vereinfachter Aufbau eines Doppelschicht-Kondensators (EDLC, Electric Double-Layer Capacitor). Bicker Elektronik

Minderung der Kapazität und einen höheren ESR (Ersatzserienwiderstand) auf. Wie funktionieren DC-USV-Lösungen mit Supercaps in der Praxis? Unter welchen konstruktiven Rahmenbedingungen lassen sich Supercaps in DC-USV-Lösungen sinnvoll und wirtschaftlich einsetzen?

Doppelschicht-Kondensatoren – Hocheffiziente Energiespeicher

Bild 2: Die maßgeschneiderte USV-Software ermöglicht die Kontrolle und Einstellung aller wichtigen Parameter. Bei einem Power Fail signalisiert die Supercap-USV über die integrierte Kommunikationsschnittstelle den Ausfall der Versorgungsspannung, sodass ein sicherer Shut-down des Systems eingeleitet, Dokumente gespeichert und bei Bedarf definierte Programme vor dem Herunterfahren des Systems ausgeführt werden können. Bicker Elektronik

Prinzipiell bestehen Kondensatoren aus zwei Elektrodenflächen, die sich in geringem Abstand gegenüberstehen, und einem Dielektrikum als nicht leitende Isolationsschicht dazwischen. Schließt man die Elektroden an eine Spannungsquelle an, so werden diese – vereinfacht beschrieben – gegenpolig aufgeladen und erzeugen aufgrund des elektrischen Potenzials zwischen den beiden Elektrodenflächen ein elektrisches Feld. Sind beide Elektrodenflächen vollständig positiv beziehungsweise negativ geladen, kommt der Stromfluss zum Erliegen. Der Kondensator ist dann geladen und speichert die elektrische Energie, sodass diese durch den Anschluss eines Verbraucherstromkreises wieder entnommen werden kann. Die Speicherkapazität oder kurz C eines Kondensators hängt hierbei wesentlich von der Oberflächengröße der Elektroden und ihrem Abstand zueinander ab. Auch die Beschaffenheit des Dielektrikums fließt in Form der Dielektrizitätszahl in die Formel für die Kapazitätsberechnung eines Kondensators ein:

C [F] = ε • A / d

C Kapazität

ε Dielektrizitätszahl

A Fläche

d Plattenabstand

Bei der Entwicklung von Doppelschicht-Kondensatoren beziehungsweise Supercaps wurden diese Parameter an einigen Stellen entscheidend optimiert, sodass im Vergleich zu Keramik-, Tantal- oder Elektrolytkondensatoren auf wesentlich kleinerem Raum hohe Kapazitäten (bis zu mehreren tausend Farad) realisiert werden können: Zum einen bestehen die Elektroden aus Aktivkohle, also reinem Kohlenstoff mit einer besonders großen Oberfläche von bis zu 1000 Quadratmetern pro Gramm. Zum anderen wurde das Dielektrikum durch ein elektrisch leitendes Elektrolyt und einen Ionen-durchlässigen Separator ersetzt.

Bild 3: Abhängigkeit der Lebensdauer eines Doppelschicht-Kondensators (3 V/100 F) von der Umgebungstemperatur. Eine Temperaturerhöhung um 10 °C halbiert die Lebensdauer. Eine Verringerung der Ladeschlussspannung um 0,2 V verdoppelt die Lebensdauer. Bicker Elektronik

Bild 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Doppelschicht-Kondensators. Beim Ladevorgang wandern die negativen Anionen durch den Separator hindurch zur positiven Elektrode, die positiven Kationen bewegen sich zur negativen Elektrode. An den beiden Grenzschichten zwischen Kohlenstoff-Elektroden und Elektrolyt bilden sich die nur wenige Molekülschichten dünnen Helmholtz-Doppelschichten. Durch den extrem kleinen Abstand entstehen elektrische Ladungsträger-Schichten mit besonders hoher Leistungsdichte, die sich wie zwei Kondensatoren gleicher Kapazität verhalten, welche über den Elektrolyt in Reihe miteinander verbunden sind. Die Kombination aus großer Elektrodenfläche und minimalen Abständen an den Grenzschichten macht den Doppelschicht-Kondensator letztlich zu einem Kapazitätsriesen mit kompakten Abmessungen.

Supercaps in der praktischen Anwendung

Anhand der beiden Supercap-USV-Systeme UPSIC-1205 (12 V_DC/5 A) beziehungsweise UPSIC-2403 (24 V_DC /3 A) von Bicker Elektronik sollen die praktischen Aspekte für den Einsatz von Doppelschicht-Kondensatoren veranschaulicht werden. Ausgestattet mit vier 100F-Supercaps sind die DC-USV-Module in maximal 60 Sekunden voll beladen und versorgen bei Stromausfall beispielsweise ein Computersystem mit Mini-ITX-Mainboard, Low-Power-Atom-Prozessor, DDR3-RAM und mSATA-Speicher mehr als 100 Sekunden oder lassen einzelne DC-Motoren in Robotik- und Laboranwendungen sicher und kontrolliert in eine definierte Position fahren. Die Kombination aus Kommunikationsschnittstelle und maßgeschneiderter USV-Software (Bild 2) ermöglicht die externe Steuerung aller wichtigen USV-Funktionen und -Parameter sowie das kontrollierte Herunterfahren (Shut-down) des Systems. Aufgrund der kompakten Abmessungen bei gleichzeitig hoher Leistungsdichte und der entsprechenden Interface-Ausstattung ist die Integration derartiger USV-Lösungen in eine Vielzahl sensibler Applikationen denkbar. Bei der Be- und Entladung sowie der Beschaltung von Doppelschicht-Kondensatoren gilt es allerdings einige wichtige Aspekte in der Praxis zu beachten.

Lebensdauer und Temperaturbereich

Obgleich die Temperaturfestigkeit und Lebensdauer von Doppelschicht-Kondensatoren im Vergleich zu anderen Energiespeichern besonders hoch ist, verändert sich im Laufe der Lebenszeit deren Kapazität und ESR. Das Ende der Lebensdauer eines Supercaps ist erreicht, wenn die Kapazität auf 70 Prozent des ursprünglichen Wertes sinkt oder der Innenwiderstand sich verdoppelt. Hierbei hängt die effektive Lebensdauer entscheidend von der Umgebungstemperatur, der Zellspannung und den Lade-/Entladeströmen ab. USV-Module der UPSIC-Serie verwenden jeweils vier in Reihe geschaltete Supercaps mit einer nominellen Zellspannung von je 3,0 V und einer Kapazität von 100 F pro Kondensator. Diese Reihenschaltung ist notwendig, um entsprechend höhere Modulspannungen erzeugen zu können, die mithilfe nachgeschalteter Spannungswandler an den Ausgängen konstant gehalten werden.

Das Diagramm in Bild 3 zeigt den direkten Zusammenhang von Temperatur und Lebensdauer bei unterschiedlichen Zellspannungen. Minustemperaturen bereiten den Supercaps – im Gegensatz zu Standard-Blei-Gel-Batterien – keine allzu großen Probleme, obgleich der Innenwiderstand bei niedrigen Temperaturen aufgrund der verminderten Ionenbeweglichkeit im Elektrolyt ansteigt, dies jedoch durch die resultierende Wärmeentwicklung im Supercap schnell wieder ausgeglichen wird. Hohe Temperaturen beeinflussen allerdings die Lebensdauer negativ. Analog zu anderen Elektronikkomponenten gilt auch hier die Faustregel, dass eine Betriebstemperaturerhöhung um 10 °C eine Halbierung der Lebensdauer nach sich zieht. Wie das Diagramm in Bild 3 weiter zeigt, lässt sich bei Supercaps durch Reduzierung der Zellspannung um zirka 0,2 V pro 10 °C Temperaturerhöhung der Verkürzung der Lebensdauer aktiv entgegenwirken.

Optimale Zellspannung

Bei der Dimensionierung der Serie haben sich die Entwicklungsingenieure bei Bicker Elektronik für eine ausgewogene Lösung mit einer reduzierten Zellspannung von 2,6 V (nominell 3,0 V) pro Supercap entschieden, um den langjährigen Betrieb im definierten Betriebstemperaturbereich der USV-Module sicherzustellen. Da jedoch die gespeicherte Energiemenge im Kondensator abhängig von der Zellspannung im Quadrat zu- oder abnimmt (W = 0,5 • C • U²), gilt es, die Reduzierung der Zellspannung genau abzuwägen. Zumal sich die nutzbare Energiemenge aufgrund der Tatsache weiter reduziert, dass die Supercaps in der Praxis nur bis zu einer minimalen Spannung U_min von zirka 1,0 V entladen werden, da bereits beim Absinken der Kondensator-Nennspannung U_max auf die Hälfte ihres Wertes rund 75 Prozent der gespeicherten Energie abgegeben wurden. Eine Tiefenentladung unterhalb von U_min ist somit technisch nicht sinnvoll, obgleich eine vollständige Entladung den Supercaps keinen Schaden zufügen würde. Es steht somit die effektive Energiemenge W_effektiv = 0,5 • C • (U²_max – U²_min) für die Applikation zur Verfügung.

Hohe Stromstärken und flexibles Zellen-Balancing

Bild 4: Vergleich von Leistungs- und Energiedichte verschiedener Energiespeicher. Bicker Elektronik

Doppelschicht-Kondensatoren verfügen über eine hohe Leistungsdichte, das heißt, sie können mit hohen Strömen be- und entladen werden, wodurch sich kurze Ladezeiten und hohe Spitzen-Ausgangsleistungen erreichen lassen. Bei den UPSIC-USV-Lösungen sorgt das intelligente Power Sharing am Eingang dafür, dass die vorgeschaltete AC/DC-Stromversorgung nicht überdimensioniert sein muss, sondern die Eingangsleistung konstant gehalten und entsprechend angepasst auf Last und Supercap-Lader verteilt wird. Bei geringer Last am Ausgang fließt mehr Energie in den Supercap-Lader und umgekehrt. Entsprechend hohe Ladeströme werden mit  aktivem Shunting – einer speziellen Form des Balancing – bereits während des Ladevorgangs gleichmäßig auf die einzelnen Supercap-Zellen verteilt. Dieser Ladungsausgleich ist bei Reihenschaltung von Supercaps zwingend notwendig, da aufgrund produktionstechnisch bedingter Unterschiede in Kapazität und Innenwiderstand die einzelnen Zellen unterschiedliche Zellspannungen aufweisen und somit entsprechende Ausgleichsströme zwischen den einzelnen Supercaps fließen würden. Bicker Elektronik setzt je nach Applikation auch auf passives Balancing, das beispielsweise für die extern angeschlossenen Batteriepacks der UPSI-XXXX-Serie eingesetzt wird.

Energiespeicher-Technologien unter wirtschaftlichen Aspekten

Obgleich die schnellen Supercaps wie dargestellt beeindruckende Eigenschaften und Einsatzmöglichkeiten für die unterbrechungsfreie Stromversorgung bieten, gilt es, bei der Gesamtkonzeption eines Systems immer nach wirtschaftlichen und technologischen Aspekten das optimale Energiespeicher-System auszuwählen. Hierbei ist zunächst der Unterschied zwischen Energiedichte (in Wh/kg) und Leistungsdichte (in W/kg) von Bedeutung (siehe Bild 4). Werden große Energiedichten und lange Überbrückungszeiten benötigt, lässt sich dies mit Doppelschicht-Kondensatoren unter Umständen nicht mehr wirtschaftlich sinnvoll lösen (großes Batteriepack-Volumen, hohe Kosten und mehr). Daher bietet Bicker Elektronik neben den kompakten Supercap-USVs auch weitere Lösungen mit externen Batteriepacks auf Basis von Lithium-Eisenphosphat (LiFePO4) oder extrem robusten Cyclon-Reinblei-Batteriezellen an. Darüber hinaus stehen Batteriepacks mit Hybrid-Energiespeichern zur Verfügung, die verkürzt gesagt die Vorteile von Batterien und Supercaps vereinen. Sie weisen eine deutlich höhere Lebensdauer als Li-Ionen- oder Blei-Akkus auf und haben eine ausgewogene Zusammenstellung aus Energie- und Leistungsdichte. Die UPSI-XXXX-Serie bietet hierfür modulare USV-Systeme mit umfangreicher Hard- und Softwarefunktionalität für die flexible Konfiguration mit unterschiedlichen und zukunftsweisenden Energiespeicher-Technologien (Bild 5).

Individuelle Dimensionierung

Bild 5: Vergleich unterschiedlicher Energiespeicher für die UPSI-XXXX-Serie anhand der Überbrückungszeit und mittleren Leistungsentnahme als Grundlage für die Auswahl geeigneter Batterietechnologien und Formfaktoren. Bicker Elektronik

Ein überdimensioniertes oder falsch ausgelegtes USV- und Stromversorgungssystem kann unnötig hohe Kosten verursachen. Um letztlich die richtige Entscheidung zu treffen, ist eine fundierte Applikationsanalyse und eine individuelle Design-in-Beratung hinsichtlich der Stromversorgungs- und USV-Einbindung unabdingbar – insbesondere in der Medizintechnik mit erhöhten Sicherheitsanforderungen und strengen, internationalen Normen. Deshalb legt Bicker Elektronik großen Wert auf den direkten Kundenkontakt und das persönliche Gespräch. Denn nur gemeinsam mit dem Kunden lässt sich die beste USV- und Stromversorgungslösung für eine spezifische Applikation finden und so ein sicheres und zuverlässiges Gesamtsystem realisieren.

(ah)