Supercondensatoren

Doppelschichtkondensatoren, Supercaps oder Goldcaps sind unterschiedliche Namen für nahezu identische Bauformen. Kennzeichen ist eine hohe Kapapzität (i.A. ab 0,1F) und niedrige Spannung pro Zelle (2,2... 2,7V). Die im Fahrradbereich typischen 1F/5,5V-Kondensatoren (Standlichtschaltung) sind im Prinzip nur zwei hintereinandergeschaltete, hoffentlich gut gepaarte, einzelne Zellen in einem Gehäuse.

Maßgeblich für den Anwendungsfall kann der Innenwiderstand sein. Je nach Typ und Hersteller ist der in den Datenblättern, z.B. bei Tokin, angegeben. Je höher der Innenwiderstand, desto kleiner die Bauform und desto höher die Verluste, nicht nur, im Entladefall.

Nach ersten Beobachtungen können sich Kapazität und Innenwiderstand deutlich mit die Zeit verädern.

Als Beispiel seien ein (unbekannt alter) Tokin FGH^K.1 und ein Starcap^K.2angeführt.

Nachdem folgende Messungen durchgeführt und veröffentlicht wurden meldete sich dankenswerterweise ein Tokin-Mitarbeiter und wies auf das Dokument
www.nec-tokin.com/english/product/pdf_dl/supercapacitors.pdf hin. In diesem sind ab Seite 59 die korrekte Messung von Kapazität und Innenwiderstand beschrieben.

Die Kondensatoren werden an angegebener Spannung solange aufgeladen, bis der Ladestrom auf unter 1mA zurückgegangen ist. Dann wird die Entladung an einem Lastwiderstand ( $R_{\mbox{\footnotesize a}}=470$) und AD-Wandlerkarte vorgenommen (s. Bild K.1).

Bild K.1: Entladekurven von gebrauchten Ultracaps (1 F/5,5 V)

Zur Berechnung der Kapazität wird der Entladestrom ($I(t)=U(t)/R$) bis zu einer Restspannung von 0,1V aufintegriert und dann durch die Startspannung ($U_0$) geteilt.

$$C=\frac{Q}{U}=\frac{1}{U_0}\int_t \frac{U(t)}{R} dt=\frac{\s... ...t_1}^{t(U=0,1 V)}U(t)\Delta t}{U_0 R_{\mbox{\footnotesize a}}}$$ (K.1)

Nicht alle Messungen gehen bis auf unter 0,5V Entladespannung sondern werden bei ungefähr bzw. knapp unter 2V abgebrochen. Deshalb ist auch die Kapazität für diese Entladespannung angegeben.

Der Innenwiderstand wird aus den Differenzen der Ladespannung und dem ersten Meßwert ($U_1$)^K.3 errechnet:

$$R_{\mbox{\footnotesize i}}=R_{\mbox{\footnotesize a}}\frac{U_0-U_1}{U_1}$$ (K.2)

Es errechnen sich unter dieses Vorraussetzungen an den gebrauchten Kondensatoren folgende Kapazitäten und Innenwiderstände.

Tabelle K.1: Lebensdauerabhängiges Verhalten von 1F/5,5V Goldcaps

Messung	$U$	$C$	$C_{\mbox{\footnotesize 2V}}$	$R_{\mbox{\footnotesize i}}$	Bemerkung
	[V]	[F]	[F]	[]
Starcap IQ-fly, ca. 30 Betriebsstunden alt
1	5,476	-	0,58	70
2	5,476	-	>0,49	66
3	5,476	1,07	0,60	76
4	6,994	1,15	0,74	25
5	8,043	0,95	0,63	106
6	8,043	1,20	0,58	228	nach 9 Stunden an 8,043 V
Tokin FGH, Seculight, unbekanntes Alter
1	5,494	0,84	0,50	<0,5
2	8,065	1,18	0,84	<0,5
3	8,065	1,39	1,00	<0,5	nach 9 Stunden an 8,065 V
4	8,065	1,43	0,97	<0,5	nach 19 Stunden an 8,065 V

Die Streuung der Innenwiderstände wird mit der Messmethode erklärt: Die AD-Karte mißt nur mit ca. 15Hz und triggert nicht das Abschalten der Ladespannung. Der Innenwiderstand des Tokin FGH ist schwierig zu bestimmen, deswegen ist eine obere Grenze angegeben.

Laut Tokin werden für die Kapazitätsbestimmung die Kondensatoren bei der Entlademessung mit 1mA/F belastet. Hier sind es zu Anfang mehr als das zehnfache. Letzteres ist praxisorientierter:-)^K.4