Erfinderaktivitäten 2011 - DPMA

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meterbereich auf der Aluminiumfolie aus, so dass ein
Dielektrikum einstellbarer Stärke entsteht. Zur Ober-
flächenvergrößerung ist die Aluminiumoberfläche
chemisch aufgeraut, man geht dadurch schon etwas
in Richtung Dreidimensionalität. Typische Baugrößen
haben 10 Millifarad bei 100 Volt Maximalspannung. Ein
damit aufgebautes Kondensatormodul würde für die
obige Anforderung jedoch immer noch etwa 100 000 €
kosten, so dass eine weitere Steigerung der Kapazitäts-
dichte unabdingbar ist. Diese wird mit sogenannten
Doppelschichtkondensatoren erreicht. Dabei entsteht
an einer schwammförmigen Aktivkohleelektrode eine
Isolationsschicht von nur molekularer Schichtdicke.
Der Elektrolyt ist echt dreidimensional in der Elek-
trode gebunden und eine dünne Folie zwischen den
Elektroden verhindert nur deren direkte Berührung.
Man erhält so eine enorme Oberfläche bei kleinem Vo-
lumen und dünnstem Dielektrikum. Teilweise finden
dabei doch Redox­Reaktionen statt, so dass je nach
Konstruktion ein fließender Übergang zu den elek-
trochemischen Sekundärelementen besteht. Typische
Baugrößen haben eine Kapazität von 1 Farad. Während
die Leistungsdichte hoch genug ist, so werden für
die Energiedichte immer noch zusätzliche elektro-
chemische Akkumulatoren benötigt, wenn nicht, wie
etwa bei einem Elektro-Linienbus, alle fünf Minuten
eine Nachladung erfolgen kann [9].
Der konstruktionsbedingte Preis für die hohe Kapa-
zität dieser Kondensatoren ist eine relativ geringe
Maximalspannung von etwa 2,5 Volt. Mit höherer
Temperatur und Spannung sinkt die Lebensdauer nach
der bekannten Arrhenius­Gleichung exponentiell [12].
Während elektrochemische Sekundärelemente unter
normalen Bedingungen ihre Spannung von einigen
Volt nur wenig ändern, so ist bei Kondensatoren eine
regelmäßige Änderung von 0 Volt bis zur zulässigen
Höchstspannung anzusetzen. Die geringe Spannung
pro Kondensator macht bei üblichen Gleichstrom-
zwischenkreisspannungen der Wechselrichter von
1 Kilovolt eine massive Serienschaltung von etwa 400
Kondensatoren notwendig. Dabei ist der Strom für
alle notwendig gleich, jedoch nicht die Spannung. Die
Kapazitätstoleranzen liegen bei typisch 20 % und die
Alterung führt zu weiteren Unterschieden. Der Lade-
zustand der einzelnen Kondensatoren und damit auch
deren Spannung wird daher verschieden sein. Es kann
DPMA – Erfinderaktivitäten 2011
zu Überspannungen und sogar zur lokalen Spannungs-
umkehr kommen. Während übliche Akkumulatoren
eine Überlastung für kurze Zeit tolerieren, so sind Kon-
densatoren sehr schnell irreversibel geschädigt. Ist nur
ein Kondensator defekt, so kann die gesamte Serien-
schaltung ausfallen. Der Energiespeicher eines solchen
Elektroautos wird also zu einem empfindlichen Inves-
titionsobjekt im Bereich von 10 000 €.
Es besteht daher ein dringender Bedarf für Ladungs-
ausgleichs- und Überwachungsschaltungen hinsicht-
lich der Zellspannung, der Zelltemperatur und der
Parameterhistorie, um der Alterung möglichst vorzu-
beugen und bereits stärker gealterte Kondensatoren zu
schonen. Die Steuerung dazu basiert selbstverständlich
meist auf Mikroprozessoren. Ältere Vorschläge nutzen
Widerstände, die pro Kondensator oder pro Konden-
sator-Reihenmodul überschüssige Energie verheizen.
Dagegen werden heute zumeist induktive Zellaus-
gleichsschaltungen favorisiert. Es sind Schaltungen
nach dem Sperrwandlerprinzip (Figur 14) sowie nach
dem Flusswandlerprinzip (Figur 15) bekannt.
Figur 14: Ladungsausgleichsschaltung mit Sperrwandler (DE
10 2008 021 090 A1).