Supercaps für Leistungsspitzen im Bordnetz

Eine möglichst effektive Nutzbremsung (Rekuperation) braucht einen Energiespeicher mit hoher Leistungsdichte und niedrigem Innenwiderstand. Eine Batterie z.B. hat einen viel zu hohen Innenwiderstand um das kurzzeitige aber hohe Leistungsangebot einer Nutzbremsung einfangen zu können.

Viel besser geeignet sind hierfür Kondensatoren mit hoher Leistungsdichte - auch Supercaps genannt. Typischerweise werden hier Doppelschichtkondensatoren eingesetzt, die so ausgelegt sind, dass sie im Sekundenbereich mit hoher Leistung effektiv geladen werden können. Der niedrige Innenwiderstand gilt nur für niedrige Lade- und Entladefrequenzen, denn die komplexe Impedanz eines Kondensators steig mit jwC.

Zu den Vorteilen des Supercaps gegenüber der Batterie gehört neben dem niedrigen Leistungsgewicht, dass er durch Lade-Entlade-Zyklen kaum altert. Damit eignen sie sich sehr gut für die Rekuperation im Hybridfahrzeug.

Um ein Gefühl für die Leistungsauslegung zu geben: Pro Tonne Fahrzeuggewicht benötigt man laut VDI meistens (abhängig von der Geschwindigkeitsdifferenz und Zeitvorgabe) zwischen 10 und 20 kW Bremsleistung. Die höchste Bremsleistung wird auf der Autobahn benötigt, sie fällt aber im Fahrzyklus relativ selten an. Deshalb lohnt sich eine Dimensionierung der Supercaps hierfür nicht, und deshalb fängt eine Nutzbremsung auf der Autobahn typischerweise nur max. 10% der Bremsleistung im Supercap ein. Im gemischten Zyklus werden 15% Verbrauchssenkung erzielt (VDI).
D.h. auch wer nicht im Stadtverkehr rein elektrisch fahren will und deshalb auf einen Full-Hybrid verzichten will, kann mit mit der Nutzbremsung eines Mild-Hybrid 15% Energie und CO2 sparen.
Begrenzt wird dieser Wert durch die erzielbaren Leistungsdichten pro Gewicht und pro Volumen. In einem BMW X3 "Efficient Dynamics" Prototypen wurden beispielsweise die Seitenschweller als Bauraum für Supercaps komplett ausgefüllt.


Von einer Kombination von Batterie (als Energiespeicher) und Supercap (als Leistungsspeicher) profitiert die Lebensdauer der Batterie, da sie gerade von der höchsten Beanspruchung einer Leistungsspitze entlastet wird. Zudem muss man die Batterie eines Hybridfahrzeugs nicht mehr für die höchste Leistungsspitze dimensionieren, was Gewicht einspart. Auch kann man u.U. die Einführung einer zweiten, höheren (42V) Spannungsebene im Bordnetz hinauszögern.

Für reine Elektrofahrzeuge stellt der Supercap wiederum keine Entlastung dar, da die Batterie eh für lange Reichweiten dimensioniert wird, und damit eine für Rekuperation oder andere Leistungsspitzen genügend hohe Spitzenleistung einher geht.


Interessant ist auch noch folgender Zusammenhang, der wieder einmal dem intuitiv empfundenen "Leistungsgefühl" des Autofahrers widerspricht:

Die benötigte Leistung eines Fahrzeugs hängt viel mehr von seiner vorgegebenen Beschleunigung ab als von seiner Masse. Gibt man beispielsweise ein Limit für die Beschleunigung von 0 auf 100, dann brauchen fast alle Fahrzeugklassen hierfür die gleiche Leistung. Ist das schwerste Fahrzeug (SUV) doppelt so schwer wie das leichteste, so benötigt es trotzdem nur ca. 10% mehr Leistung. Ein SUV wird also nicht durch sein Gewicht zur Energievernichtungsmaschine, sondern durch die Vorgabe hoher Beschleunigungswerte.

Daraus folgt auch, dass die heute gängige Übermotorisierung weniger aus gestiegenen Höchstgeschwindigkeiten resultiert, sondern aus besseren Beschleunigungswerten.

Quellen: "Supercaps - Eigenschaften und Fahrzeuganwendungen", VDI Berichte 2005, WIMA (Hersteller),