{"id":2971,"date":"2025-09-10T00:00:00","date_gmt":"2025-09-09T22:00:00","guid":{"rendered":"https:\/\/staging.elv.eqxt.de\/?p=2971"},"modified":"2026-01-30T13:21:30","modified_gmt":"2026-01-30T12:21:30","slug":"supercap-gegen-akku-grundlagen-cell-balancing-anwendungen","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/de.elv.com\/elvjournal\/supercap-gegen-akku-grundlagen-cell-balancing-anwendungen\/","title":{"rendered":"Innovative Bauteile (Teil 3): SuperCaps und Akkus"},"content":{"rendered":"\n

Innovative Bauteile kurz beleuchtet (Teil 3)<\/strong><\/p>\n\n\n\n

SuperCap und Akku<\/strong><\/h1>\n\n\n\n

Das Entwicklerteam von ELV und eQ-3 mit ca. 90 Entwicklern konstruiert j\u00e4hrlich bis zu 120 neue Produkte inklusive Weiterentwicklungen und Produktanpassungen. Internationale Bauteilehersteller informieren uns laufend \u00fcber aktuelle Bauteile und innovative Sensoren. An diesem Wissen m\u00f6chten wir Sie gerne teilhaben lassen. In loser Reihenfolge stellen wir Ihnen spannende elektronische Bauteile mit umfassendem Hintergrundwissen, Datenbl\u00e4ttern und Anwendungsbeispielen vor. In diesem Beitrag geht es um SuperCaps und Akkus als ideale Erg\u00e4nzung zum elektrochemischen Energiespeicher.<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Einleitung<\/h2>\n\n\n\n

Energiespeicher sind heute ein unverzichtbarer Bestandteil einer unterbrechungsfreien Energielieferkette, die elektrische, elektromechanische und elektrochemische Systeme zur Vorhaltung elektrischer Energie bis zu ihrem Bedarf ben\u00f6tigt.<\/p>\n\n\n\n

Man denke an unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) f\u00fcr den Funktionserhalt in Computeranwendungen bei Stromausf\u00e4llen, Anwendungen zur Sicherstellung einer hohen Verf\u00fcgbarkeit und Versorgungsqualit\u00e4t des Stromnetzes (Schwungmassenspeicher, SMES = Supraleitende Magnetische Energiespeicher, SuperCap-Speicher …) und Systeme f\u00fcr die mehrst\u00fcndige \u00dcberbr\u00fcckung der \u201eDunkelflauten\u201d bei der Gewinnung von erneuerbaren Energien aus Sonne und Wind (Akkumulatoren, Druckluftspeicher, Pumpspeicherwerke …). Ausgel\u00f6st durch den Trend zur Elektrifizierung des Stra\u00dfen- und Schienenverkehrs werden KERS-Techniken zur energetischen Pufferung entwickelt und eingesetzt (KERS: Kinetic Energy Recovery System = System zur R\u00fcckgewinnung kinetischer Energie).<\/p>\n\n\n\n

Eine zunehmend wichtigere Rolle in diesen Szenarien spielt der Superkondensator (Supercapacitor = SuperCap). Seine physikalischen Grundlagen bis hin zum innovativen Einsatz in praktischen Anwendungen beschreibt der dieser Artikel.<\/p>\n\n\n\n

Grundlagen des Kondensators<\/h2>\n\n\n\n
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Die Grundform des Kondensators besteht aus zwei sich gegen\u00fcberstehenden metallischen Fl\u00e4chen, die durch ein isolierendes Medium (Dielektrikum) getrennt sind. Als Urkondensator kann die Leidener Flasche betrachtet werden. Dabei handelt es sich um ein Glasgef\u00e4\u00df, auf dessen Innen- und Au\u00dfenseite eine Metallfolie aufgebracht ist. Das isolierende Glas dient als Dielektrikum. Der preu\u00dfische Jurist und Naturwissenschaftler Ewald J\u00fcrgen Georg von Kleist erhielt 1745 bei Laborversuchen mit Anordnungen aus Metallteilen und Gl\u00e4sern elektrische Stromschl\u00e4ge, die auf eine Speicherung elektrischer Energie hinwiesen. 1775 verbesserte der italienische Physiker Allesandro Volta den Kondensator zu einem Gebilde aus zwei parallelen, gleich gro\u00dfen Metallplatten, deren Zwischenraum er mit isolierendem Ebonit ausf\u00fcllte (Bild 1)<\/mark>.<\/p>\n<\/div>\n\n\n\n

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\"Bild
Bild 1: Der Plattenkondensator besteht aus zwei leitenden, durch ein isolierendes Medium getrennten Platten in geringem Abstand. Sein Speicherverm\u00f6gen f\u00fcr elektrische Ladungen ist proportional zur Plattenfl\u00e4che und umgekehrt zum Plattenabstand.<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n<\/div>\n\n\n\n

Legt man an die Platten eine elektrische Gleichspannung U an, bildet sich im Dielektrikum ein elektrisches Feld, dessen Feldlinien senkrecht auf den Innenseiten der Platten stehen. Die Feldlinien nehmen ihren Anfang bei einer positiven Ladung +q und enden auf einer negativen Gegenladung -q. Somit ist die Summe der Ladungen auf der einen Platte \u2211(+q) = +0 und auf der anderen \u2211(-q) = -0.<\/p>\n\n\n\n

Die Kapazit\u00e4t C (Capacity = Fassungsverm\u00f6gen) des Kondensators ist der Quotient aus dem Betrag der Summenladungsmengen Q und der angelegten Spannung U (C = Q\/U). Damit ist die Einheit der Kapazit\u00e4t As\/V (Amperesekunde\/Volt). Sie wurde zu Ehren des englischen Naturforschers Michael Faraday (1791-1867) mit dem Formelzeichen F (Farad) abgek\u00fcrzt.<\/p>\n\n\n\n

Zusammenfassend l\u00e4sst sich sagen: Ein Kondensator mit der Kapazit\u00e4t von 1 Farad wird durch einen Strom von 1 Ampere in 1 Sekunde auf 1 Volt aufgeladen.<\/p>\n\n\n\n

In der Kapazit\u00e4t des Kondensators schlagen sich die geometrischen Gr\u00f6\u00dfen der Plattenfl\u00e4che A (auch als Bel\u00e4ge des Kondensators bezeichnet) und des Plattenabstands d sowie der Materialeigenschaft des Dielektrikums \u201eRelative Permittivit\u00e4t“ \u03b5r (veraltet auch \u201eRelative Dielektrizit\u00e4tskonstante“ genannt) gem\u00e4\u00df Gleichung (1) nieder. Dabei ist \u03b5o die \u201eElektrische Feldkonstante“ (veraltet auch als \u201eDielektrizit\u00e4tskonstante des Vakuums“ bezeichnet).<\/p>\n\n\n\n

Das Speicherverm\u00f6gen f\u00fcr elektrische Ladungen eines solchen Kondendators (Kapazit\u00e4t) wird gem\u00e4\u00df Gleichung (1)<\/mark> berechnet.<\/p>\n\n\n\n

\"Gleichung<\/figure>\n\n\n\n

Gem\u00e4\u00df Gleichung (1) w\u00e4chst der Kapazit\u00e4tswert bei einer Zunahme von Plattengr\u00f6\u00dfe A und relativer Permittivit\u00e4t \u03b5r sowie mit abnehmendem Plattenabstand d. Diese drei Gr\u00f6\u00dfen werden daher als Stellschrauben zur Beeinflussunge der Kondensatorkapazit\u00e4t verwendet.<\/p>\n\n\n\n

Die im Kondensator gespeicherte Energie W wird berechnet gem\u00e4\u00df Gleichung (2)<\/mark>:<\/p>\n\n\n\n

\"Gleichung<\/figure>\n\n\n\n

Parallel- und Reihenschaltung von Kondensatoren<\/h2>\n\n\n\n

Die Parallelschaltung von Kondensatoren ergibt eine Gesamtkapazit\u00e4t aus der Summe der Einzelkapazit\u00e4ten. Die Spannungsfestigkeit der Anordnung bestimmt dabei der Kondensator, dessen Spannungsfestigkeit \u00fcberschritten wird.<\/p>\n\n\n\n

Die Kapazit\u00e4t der Reihenschaltung einzelner Kondensatoren ergibt sich aus dem Kehrwert der Summe der Kehrwerte der Einzelkapazit\u00e4ten. An jedem Einzelkondensator der Reihenschaltung tritt ein Bruchteil der an der Reihenschaltung anliegenden Gesamtspannung auf. Dieser ist umgekehrt proportional zu dessen Gr\u00f6\u00dfe (vergl. Bild 10<\/mark>). Die Gleichung (3)<\/mark> fasst dies zusammen:<\/p>\n\n\n\n

\"Gleichung<\/figure>\n\n\n\n

Der Kondensator als Ladungsspeicher<\/h2>\n\n\n\n

Allgemein gilt, dass die Gesamtkapazit\u00e4t einer Parallelschaltung stets gr\u00f6\u00dfer ist als die gr\u00f6\u00dfte Einzelkapazit\u00e4t (16,4 nF > 10 nF), bei der Serienschaltung ist die Gesamtkapazit\u00e4t hingegen stets kleiner als die kleinste Einzelkapazit\u00e4t (317,9 pF < 500 pF). Bei der Parallel- oder Reihenschaltung von zwei gleich gro\u00dfen Kondensatoren ist die Gesamtkapzit\u00e4t doppelt oder halb so gro\u00df wie die der Einzelkapazit\u00e4ten.<\/p>\n\n\n\n

Nutzbare Energiemenge eines Kondensators<\/h2>\n\n\n\n

Wenn ein Verbraucher zu seinem Funktionieren ein bestimmtes Versorgungsspannungsintervall Umin < Uversorg < Umax ben\u00f6tigt, kann ein ihn mit Betriebsenergie versorgender Kondensator mit der Kapazit\u00e4t C folgende nutzbare Energiemenge Wnutzbar zur Verf\u00fcgung stellen:<\/p>\n\n\n\n

\"Gleichung<\/figure>\n\n\n\n

Trend zur Miniaturisierung<\/h2>\n\n\n\n

Damit auch in moderner Elektronik unverzichtbare Kondensatoren das Ziel der Miniaturisierung nicht unerreichbar machen, muss auch ihr Volumen oder besser gesagt das Verh\u00e4ltnis Kapazit\u00e4t C\/Volumen V (C\/V) maximiert werden. Wir erinnern uns, dass wir dazu an den drei Stellschrauben<\/p>\n\n\n\n