Nonstop Power
Unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) stellen in einer zunehmend komplexen und vernetzten Infrastruktur die ausfallsichere Verfügbarkeit relevanter Systeme und Komponenten sicher. Welche Faktoren bei der Auswahl und Dimensionierung von DC-USV-Systemen mit entsprechender Batterietechnologie beachtet werden müssen zeigt dieser Beitrag.
Das DC-USV-System UPSI von Bicker enthält einen bidirektionalen Buck-Boost-Wandler. (Bild: Bicker Elektronik GmbH)
Um die richtige Wahl zu treffen bedarf es einer genauen Analyse der Applikation und detaillierter Kenntnisse der Vor- und Nachteile unterschiedlicher Batterietechnologien, sowie einer gesamtheitlichen Betrachtung der TCO (Total Cost of Ownership).
Batterie- und Energiespeichertechnologien
Im Wesentlichen sind folgende Energiespeicher für den Einsatz in DC-USV-Systemen relevant: Supercaps (Ultrakondensatoren), konventionelle Lithium-Ionen-Zellen (LCO/NMC), Lithium-Eisen-Phosphat-Zellen (LiFePO4), Reinblei-Zinn-Batterien (Cyclon-Zellen) sowie klassische Blei-Gel-Batterien. Im Gegensatz zu Batterien, die Energie über den Umweg einer chemischen Reaktion speichern, basieren Supercaps auf elektrophysikalischen Prinzipien und sind innerhalb kürzester Zeit geladen und einsatzbereit. Für längere Überbrückungszeiten bietet sich die Lithium-Ionen-Technologie mit hoher Energiedichte an. Bei der Auswahl eines Li-Ionen-Energiespeichers für DC-USV-Systeme empfiehlt sich jedoch ein genauer Blick auf das eingesetzte Kathodenmaterial. Gerade bei Zellen mit chemisch und thermisch instabilem Kathodenmaterial wie Lithium-Kobalt-Oxid oder Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid kann es unter bestimmten Bedingungen zu zellinternen exothermischen chemische Reaktionen kommen, die letztlich in einem unkontrollierbaren ‚Thermal Runaway‘ enden. Mit Lithium-Eisen-Phosphat steht für das Kathodenmaterial eine wesentlich stabilere chemische Verbindung mit erhöhter Sicherheit und einer rund zehnfach höheren Zyklenfestigkeit zur Verfügung.
Das Supercap-DC-USV-Modul UPSIC (Oper-Frame) bzw. UPSIC-D (DIN-Rail) dient u.a. zur Absicherung von kompakten Embedded-Computern und Robotiksysteme (Bild: Bicker Elektronik GmbH)
Einfluss der Betriebstemperatur
Besteht die Möglichkeit DC-USV und Energiespeicher von der heißen Maschinenumgebung zu separieren, so sind klassische Lithium-Ionen-Batterien eine gute Wahl, da sie aufgrund der hohen Energiedichte verhältnismäßig kostengünstig sind. Muss der Energiespeicher nah an der Maschine oder in einer wärmeren Umgebung platziert werden und damit höhere Einsatztemperaturen verkraften, eignen sich LiFePO4-Batterien oder wartungsfreie Supercaps wesentlich besser. Bei extrem niedrigen oder hohen Temperaturen und entsprechend großem Energiebedarf bieten sich schließlich Reinblei-Zinn-Zellen als besonders robuste und langlebige Energiespeicher an. Generell gilt in diesem Zusammenhang die RGT-Regel (Reaktionsgeschwindigkeit-Temperatur-Regel), welche vereinfacht besagt, dass sich bei einer Temperaturerhöhung von 10°C die Lebensdauer der Komponenten halbiert. Deshalb sollte der Analyse und Optimierung des Temperatur- und Wärmemanagements einer Applikation besonderes Augenmerk geschenkt werden, zumal dies nicht nur die Lebensdauer des Energiespeichers, sondern aller elektronischen Komponenten eines Endgerätes verlängert.
