Supercap. Unterrichtsmodell. Abteilung Automobiltechnik. Karl Meier-Engel. Berner Fachhochschule Haute école spécialisée bernoise

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1 Berner Fachhochschule Haute école spécialisée bernoise Hochschule für Technik und Informatik Haute école technique et informatique.ch Abteilung Automobiltechnik Unterrichtsmodell Supercap April 2006

2 Inhaltsverzeichnis 1. LERNZIELE ZUSAMMENFASSUNG EINFÜHRUNG AUFBAU EINES SUPERCAP TECHNISCHE DATEN DES SUPERCAP WAS KANN DIESES MODELL? WIE SIEHT EIN SUPERCAP AUS? WAS IST SO INTERESSANT AN DIESEM BAUELEMENT? WAS BEDEUTEN DIE BEGRIFFE ELEKTRISCHE LADUNG UND KAPAZITÄT? VORSICHT SCHLUSSWORT... 5 LITERATURVERZEICHNIS UND LINKS Lernziele Kennen des Supercaps Messen der Kapazität eines Kondensators 2. Zusammenfassung Mit diesem Modell können Sie das Aufladen eines Supercap/Ultracap sowie das Entladen zeigen. Dabei fliesst während dem Aufladen während etwa 3 min ein Strom von 1 A. Für das Entladen kann der Kondensator mit einer Leuchtdiode verbunden werden. Diese leuchtet danach während etwa 30 min. 3. Einführung Supercaps oder UltraCaps [1] sind Kondensatoren mit einer besonders grossen Speicherkapazität. Sie können ausserordentlich grosse Leistungen aufnehmen und abgeben. Damit eignen sie sich in der Automobiltechnik zur Speisung von Verbrauchern mit einem Bedarf an kurzzeitiger Spitzenleistung. Bei Automobilen kann die kinetische Bewegungsenergie des Fahrzeuges beim Bremsen in Kondensatoren gespeichert werden. Beim anschliessenden Beschleunigen kann diese Energie wieder eingesetzt werden. Diese Technik ist besonders für Hybrid- und Elektrofahrzeuge interessant. 4. Aufbau eines Supercap Dank neuartigen Fertigungsmethoden gelingt es, auf kleinen Oberflächen Materialstrukturen aufzubauen, welche eine grosse Oberfläche aufweisen. Beim UltraCap (SiemensMatsushita Bezeichnung) der für dieses Modell verwendet wird, setzt S+M speziell aktivierte Kohle zur Bildung dieser Strukturen ein. Weil beim Kondensator die aktive Plattenfläche direkt proportional zur Kapazität ist, kann die Kapazität wirkungsvoll gesteigert werden. 2

3 Unterrichtsmodell Mit diesem Modell können Sie die Funktionsweise eines Supercap auf eindrückliche Art und Weise zeigen. Gleichzeitig können Sie die Begriffe elektrische Ladung und Kapazität erarbeiten. Beim Aufladen des Supercap fliesst während etwa 3 min ein Strom von etwa 1 A in den Kondensator. Beim Entladen wird eine Leuchtdiode während etwa 30 min gespiesen. 5. Technische Daten des Supercap Bezeichnung: Maxwell BCAP0350 [L1] Abmessungen: 62 x 33 mm Masse 60 g Kapazität: 350 F Spannung max.: 2,5 V Strom max.: 70 A Betriebstemperatur: C Leckstrom: 1 ma Innenwiderstand: 32 mω Leistungsdichte: 3,9 W/kg / 4,7 W/l 6. Was kann dieses Modell? Mit diesem Modell können Sie auf einfache Art und Weise Ihren Schülern die Wirkung von Supercaps zeigen und gleichzeitig die folgenden Fragen beantworten: - Wie sieht ein Supercap aus? - Was ist so interessant an diesem Bauelement? - Was bedeutet der Begriff elektrische Ladung? 3

4 7. Wie sieht ein Supercap aus? Äusserlich unterscheidet er sich kaum von einem normalen Kondensator. Die Modell kann umgedreht werden, um den gut sichtbaren Supercap den Zuschauern zu zeigen. 8. Was ist so interessant an diesem Bauelement? Diese Frage lässt sich mit der Demonstration eines Auflade- und Entladevorganges anschaulich beantworten: Aufladen des Kondensators mit einem Ladestrom von ~1 A: - Verbinden Sie den DC/DC-Wandler über ein Demonstrationsamperemeter mit dem Kondensator. - Der Zeiger des Amperemeters zeigt während etwa 10 Minuten = 600 Sekunden den Wert von 1 A an. Danach sinkt er langsam gegen 0 ab. - Wenn Sie gleichzeitig ein Voltmeter an den Kondensator anschliessen, können Sie beobachten wie die Spannung langsam auf den Wert von 2 V ansteigt. Mit diesen Daten kann die Kapazität bestimmt werden: Q I * t 1*600 C = = = = 300F U U 2 Entladen des Kondensator über die Leuchtdiode: - Trennen Sie die Verbindung zwischen dem Kondensator und dem DC/DC-Wandler. - Verbinden Sie den Kondensator mit der Leuchtdiode. Diese wird während etwa 30 min. aufleuchten. Dieser Versuch sind besonders interessant, wenn Sie vorher das Gleiche mit einem herkömmlichen Kondensator zeigen. Sie können aber auch Kleinmotoren mit einer Betriebsspannung von ~2V oder andere Verbraucher mit dem Kondensator speisen. 9. Was bedeuten die Begriffe elektrische Ladung und Kapazität? Mit dem Begriff elektrische Ladung beschreibt man die Elektrizitätsmenge [2] oder die Menge der elektrischen Ladungsträger die in einem Kondensator gespeichert werden können. Dagegen bedeutet der Begriff Kapazität [3] die elektrische Ladung, welche durch die Spannung von 1 V verursacht wird. Berechnung der elektrischen Ladung: Q = elektrische Ladung [As] [F1] Q = I t I = Strom [A] t = Zeit [s] Mit der Formel F1 können Sie die elektrische Ladung welche der Kondensator aufnimmt oder abgibt berechnen. Berechnung der Kapazität C = Kapazität [F] [F2] C = Q U Q = elektrische Ladung [As] U = Spannung [V] Mit der Formel F2 können sie die Kapazität des Kondensators berechnen. 4

5 10. Vorsicht Bei dem verwendeten Supercap handelt es sich um einen Elektrolytkondensator. Dieser kann bei unsachgemässer Behandlung platzen. Dabei wird die gepeicherte Energie freigesetzt. Beim Arbeiten mit diesen Supercaps sind folgende Punkte zu beachten: Der Kondensator muss polrichtig angeschlossen werden (+ an +)! Der Kondensator darf nicht mit Wechselspannung betrieben werden! Die Betriebsspannung von 2,5 V darf nicht überschritten werden! 11. Schlusswort Das Elektroteam der Abteilung Automobiltechnik dankt Ihnen für das Vertrauen, welches Sie mit dem Kauf dieses Modells ausgedrückt haben. Wir wünschen Ihnen viel Freude und Erfolg bei der Arbeit mit diesem Modell. Falls unerwartete Probleme oder Fragen auftauchen, nehmen Sie bitte mit uns Kontakt auf. Wir sind überzeugt, dass wir gemeinsam eine Lösung finden. Selbstverständlich nehmen wir ebenfalls gerne positive Meldungen und neue Anregungen entgegen. Literaturverzeichnis und Links [1] S+M: Technische Information von Siemens Matsushita Components, 1999 [2] Bosch: Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, 22. Auflage, VDI-Verlag, ISBN [3] Meier-Engel Karl: Elektrisches Feld, HTA Biel-Bienne, Abteilung Automobiltechnik, 1999 [L1] 5