Stop-and-go-Verkehr ist Gift für Geldbeutel und Klima. Start-Stopp-Systeme schaffen hier Abhilfe. Denn sie schalten den Motor an roten Ampeln oder im Stau ab und lassen ihn beim Betätigen der Kupplung wieder an. Die dadurch erzielten Einsparungen sind beträchtlich: In einem definierten Stadtzyklus mit zwölf Stopps von je 15 Sekunden über eine Fahrstrecke von sieben Kilometern sinken Kohlendioxidausstoß und Kraftstoffverbrauch bereits um bis zu acht Prozent. Bei längeren Stopps ist der Spareffekt noch größer.

Das ständige Stoppen und Anlassen des Motors bedeutet jedoch hohen Stress für das Bordnetz und die darin verwendeten Bauelemente. Es ist bei modernen Fahrzeugen bereits durch eine zunehmende Zahl von elektrischen Nebenaggregaten belastet. Dazu zählen unter anderem Kühlmittel-, Kraftstoff- und Hydraulikpumpen, Lüftermotoren sowie elektrische Lenk- und Bremssysteme. Deshalb benötigen diese Fahrzeuge inzwischen Generatoren mit einer Leistung bis zu 3,8 kW, um alle Systeme stabil zu versorgen.

Außerdem wird die Batterie zur besseren Gewichtsverteilung nicht mehr im Motorraum nahe am Generator, sondern im Kofferraum verbaut. Die hohen Ströme im Bordnetz und die räumliche Trennung der Batterie vom Generator über lange Leitungen führen dazu, dass die Batterie das Bordnetz nicht mehr ausreichend stabilisieren kann. Um die damit verbundene Spannungswelligkeit auszugleichen, werden schon seit Langem Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren von EPCOS als Entstörkondensatoren mit hoher Stromtragfähigkeit und geringer Eigeninduktivität eingesetzt.

Neue Alu-Elkos für hohe Belastungen

Die neuen Start-Stopp-Systeme belasten aber die Bordnetze und damit die Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren zusätzlich in hohem Maße, da beim Starten des Motors kurzzeitig sehr hohe Ladeströme bis zu 300 A fließen. Konventionelle Kondensatoren stoßen bei dieser Belastung an ihre Grenzen. Um den erhöhten Anforderungen gerecht zu werden, hat EPCOS in Zusammenarbeit mit der Automobilindustrie neue Alu-Elkos entwickelt. Diese können über die gesamte Lebensdauer des Fahrzeugs die hohe Stromwelligkeit des Generators dämpfen und sind für die hohen Belastungen sowie für mehrere Hunderttausend Motorstarts und -stopps geeignet.

Besonderes Augenmerk lag bei der Entwicklung der neuen Alu-Elkos auf dem Vermeiden von Wasserstoffgasung und Folienoxidation. Diese können entstehen durch unterschiedliche Potenzialverteilung und eine elektrische Asymmetrie im Inneren des Kondensators bei sehr hohen Lade- oder Entladeströmen.

Gerade extrem kompakte Kondensatoren mit hoher Kapazitätsdichte reagieren empfindlich auf innere Asymmetrien. Grund dafür sind die darin als Trennlage verwendeten dünnen und dichten Papiere, durch die nur geringe Ausgleichsströme zum Abbau von Potenzialunterschieden fließen können.

Tauglichkeitsuntersuchungen radialer und axialer Bauformen für Start-Stopp-Systeme belegen, dass bei den axialen Varianten kein Redesign notwendig ist. Die Vorteile der axialen Kondensatoren liegen in der hohen Symmetrie der axialen Konstruktion und der geringeren Breite der Spalten zwischen Anoden- und Kathodenfolie. Um auch für zukünftige, noch härtere Anforderungen gerüstet zu sein, wurde ein neues spezifisches axiales Impulsdesign entwickelt und erfolgreich erprobt.

Auch bei radialen Bauformen verbesserte EPCOS die elektrische Symmetrie und minimierte dadurch die inneren dynamischen Potenzialunterschiede. Einige dieser Weiterentwicklungen wurden bereits in Produkten umgesetzt und haben sich etwa beim Einsatz in elektronischen Lampenvorschaltgeräten bewährt. Bauartbedingt können diese Maßnahmen jedoch nur zu einer Verringerung, nicht aber zu einer vollständigen Beseitigung der diversen Asymmetrietypen führen. Ursache sind die Hohlräume im Kondensator, die sich bei dieser Bauform durch die beiden Paddle-Tabs zum Anschluss ergeben.

Kondensatorauswahl durch Praxistests

Um die Eignung eines Kondensators für eine Applikation zu testen, muss man das vorgesehene Originalspannungsprofil für den Test verwenden. Ein symmetrisches Standardprofil kann zu einer Über- oder Unterforderung des Kondensators führen. Wichtig für das Design und die Erprobung ist die Information, ob der Kondensator mit schnellen Lade- oder mit schnellen Entlade-Impulsen belastet wird. Hier kommt es zu unterschiedlichen elektrochemischen Vorgängen im Kondensator. Auch die Richtung der inneren Leckströme ist dabei verschieden. Tabelle 1 zeigt die zu erwartenden Effekte bei unterschiedlichen Lade- und Entlade-Impulsen.

TABELLE 1: WASSERSTOFF- UND OXIDBILDUNG BEI UNTERSCHIEDLICHEN LADE- UND ENTLADE-IMPULSEN

Bei den Strömen, die Gas- und Oxidbildung hervorrufen, handelt es sich um Potenzialausgleichsströme, die entlang des Elektrolyten und der Kathodenfolie fließen. Diese Ströme, die elektrochemisch als Leckströme wirken, kreisen innerhalb des Kondensators. Sie können nicht aus der Strombilanz (Summe der ein- und ausfließenden Ladungen) des Kondensators als Leckstrom ermittelt werden. Je größer die Differenz zwischen Lade- und Entladestrom, desto räumlich ausgedehnter sind die Strombahnen im Kondensator. Das gilt auch für den Drehsinn der Ströme, der davon abhängt, ob der Lade- oder der Entladestrom größer ist.

Die lokal verstärkte Wasserstoffentwicklung führt zu chemischen Veränderungen des Elektrolyten an diesen kritischen Punkten. Auch wenn bei den optisch erkennbaren Veränderungen bisher noch keine Kurzschlussausfälle nachgewiesen wurden, muss der Kondensator nach einem Umladetest intern analysiert und bewertet werden. Für die Analyse ist ein Dauertest notwendig, damit weitere Vorschädigungen zu entdecken sind. Alle bei EPCOS eingesetzten Niedervolt-Elektrolyte sind in axialen Kondensatoren bezüglich derartiger Unregelmäßigkeiten getestet worden und führten in den nachfolgend beschriebenen Tests zu keinen Ausfällen.

Im Schnellladetest wurden die axialen Kondensatoren mit bis zu 470 A schnell auf 40 V aufgeladen und nach 0,2 s wieder über einen 100-Ohm-Widerstand langsam entladen. Der Test erfolgte im 2-Sekunden-Takt (Abbildung 1).

	ABBILDUNG 1: GETAKTETER SCHNELLLADETEST VON ALU-ELKOS
Impulsdiagramm der Taktung des Schnellladetests Verlauf von Strom und Spannung während einer Schnellladung

Auch nach 200.000 Schnellladezyklen von 0 V auf 40 V bei einer Umgebungstemperatur von 85 °C waren die Kondensatoren bezüglich der Gasentwicklung unauffällig. Bei den elektrischen Kennwerten wurde eine Kapazitätsabnahme von nur etwa drei Prozent und eine Impedanzsteigerung von circa 20 Prozent bei 10 kHz ermittelt. Der gegensätzliche Test mit langsamem Laden und schnellem Entladen führte ebenfalls zu keinem nennenswerten Druckanstieg im Kondensator. Dabei wurde eine geringe Kapazitätsabnahme von einem Prozent ermittelt. Auch bei dieser Messung wurden 200.000 Zyklen durchlaufen.

Diese Messungen bestätigten, dass die Belastungen bei einer Schnellladung zu stärkeren Veränderungen im Kondensator führen können als die klassischen Entladevorgänge, wie etwa bei Blitzlichtanwendungen. Alle getesteten Kondensatoren, unabhängig von der Testtemperatur und dem Spannungsprofil, waren auch nach einem weiteren Dauertest bei 40 V mit 125 °C nach 3000 Stunden noch unauffällig und die elektrischen Parameter im normalen Bereich.

Fit für Start-Stopp-Betrieb

Die durchgeführten Tests zeigen, dass für die hohen Lade- und Entladeanforderungen bei Start-Stopp-Systemen moderne axiale und kleine Rundbecher-Elektrolyt-Kondensatoren (large size) verwendet werden können.

EPCOS bietet eine Vielzahl von Elektrolyt-Kondensatoren für Applikationen in der Automobil-Elektronik an, die im Datenbuch „Aluminum Electrolytic Capacitors for Automotive Applications“ zusammengefasst sind. Diese Kondensatoren zeichnen sich durch ihre hohe Stromtragfähigkeit, hohe Temperaturfestigkeit und zum Teil hohe mechanische Robustheit bei höchster Zuverlässigkeit aus. Tabelle 2 gibt einen Überblick über die wichtigsten Typen.

TABELLE 2: KENNDATEN DER ALUMINIUM-ELEKTROLYT-KONDENSATOREN FÜR DIE AUTOMOBIL-ELEKTRONIK