Mit autarken Stromversorgungen 24/7-Umweltsensorik realisieren

Die Luftgütemessung und -überwachung ist Teil des Smart-City-Konzepts zur Digitalisierung der Infrastruktur – hier am Beispiel von Darmstadt. Um eine möglichst flächendeckende Überwachung der Luftqualität zu erreichen, wurden rund 40 Messstandorte definiert. Um Kosten für das Verlegen neuer Stromversorgungsleitungen zu sparen, sollte ein Sensorsystem bestehend aus dem Luftqualitätstransmitter AQT530 von Vaisala und einem Gateway zur Datenkommunikation vor Ort an den vorhandenen Straßenlaternen installiert und über deren 230 V_AC-Stromanschluss mit 24 V_DC versorgt werden. Da die Beleuchtung nur bei Dunkelheit Strom führt, war keine durchgängige Stromversorgung gewährleistet. Deshalb entstand in enger Zusammenarbeit mit Bicker Elektronik eine gepufferte 24/7-Stromversorgung mit Nachtaufladung für den sicheren Betrieb rund um die Uhr.

Gepufferte Outdoor-Stromversorgung von Umweltsensorik und Gateway

Die Herausforderung bestand darin, eine USV-Lösung für den rauen Outdoor-Einsatz zu entwickeln, die eine unterbrechungsfreie 24V-Stromversorgung für Sensorik und Gateway gewährleistet, da vor Ort keine dauerhafte Stromversorgung verfügbar ist. An diesen Standorten sind nur Straßenlaternen vorhanden, die während der Beleuchtungszeiten mit 230 V_AC versorgt werden. Der Pufferspeicher muss in der Nacht optimal geladen werden, um über den Tag hinweg ausreichend Energie für die Versorgung von Sensorik und Gateway zur Verfügung zu haben.

Weitere Herausforderungen ergaben sich zusätzlich aus den klimatischen und jahreszeitbedingten Wechselzuständen. Im Sommer muss die USV- und Batterietechnik hohen Temperaturen standhalten und eine längere Versorgungszeit für Sensoren und Gateway ermöglichen, da die Laternen später eingeschaltet und früher abgeschaltet werden. Es war entscheidend, dass der Energiespeicher auch bei der kürzeren Beleuchtungszeit ausreichend nachgeladen werden konnte und die Kapazität entsprechend dimensioniert wird.

Im Winter tritt dann die umgekehrte Situation auf. Die USV muss mit extrem niedrigen Temperaturen zurechtkommen. Während die Laternen zwar länger leuchten und dadurch die benötigte Überbrückungszeit zur Versorgung der Sensoren und des Gateways verkürzt wird, können Batteriespeicher bei tiefen Temperaturen in der Regel nicht so effizient und schnell geladen werden.

Es galt eine Lösung zu finden die unter allen denkbaren Voraussetzungen die Sensoren und das Gateway jederzeit sicher mit 24 V_DC versorgt. Insbesondere die Batterietechnologie musste den hohen Anforderungen hinsichtlich der thermischen Eigenschaften sowie Sicherheit und Langlebigkeit gerecht werden.

AC/DC-USV mit LiFePO4-Hochleistungsbatterie und Nachtaufladung

Mit der USV-Lösung UPSI-2406IP-38AC konnten die Ingenieure von Bicker Elektronik das Anforderungsprofil nachkommen. Das robuste und wetterfeste IP65-Aluminiumgehäuse schützt den AC/DC-Wandler mit Weitbereichseingang, die Steuerungs- und Ladetechnik der USV sowie die neu entwickelte LiFePO₄-Hochleistungsbatterie. Diese Batterietechnologie und das integrierte Batteriemanagementsystem (BMS) mit Cell-Balancing soll Sicherheit, hohe Lebensdauer und Leistung auch bei Temperaturen von -20 bis +50 °C gewährleisten. Somit ist selbst unter anspruchsvollen Einsatzbedingungen eine besonders zuverlässige und unterbrechungsfreie Stromversorgung jederzeit gewährleistet.

Die UPSI-2406IP-38AC wandelt während der Nacht die eingangsseitige AC-Versorgungsspannung (90 - 264 V_AC) in 24 V_DC um und leitet diese über den USV-Ausgang direkt an die angeschlossene Umweltsensorik weiter, lädt parallel den angeschlossenen Energiespeicher und überwacht alle relevanten Parameter, Ströme und Spannungen. Bei Spannungseinbruch oder Stromausfall – hier durch die morgendliche Abschaltung der Straßenbeleuchtung – trennt ein MOSFET innerhalb weniger Mikrosekunden den Eingang ab und der Sensor mit Gateway wird unterbrechungsfrei aus dem LiFePO₄-Energiespeicher heraus über den gesamten Tag hinweg versorgt. Die UPSI-2406IP-38AC stellt hierbei eine konstant geregelte 24-V_DC-Ausgangsspannung zur Verfügung.

Der integrierte LiFePO₄-Energiespeicher der UPSI-2406IP-38AC überzeugt mit einer besonders stabilen Batteriechemie, einer langen Lebensdauer von mindestens 10 Jahren und bis zu 6000 vollen Lade- und Entladezyklen. Bicker Elektronik setzt bei allen Hochleistungs-Batteriepacks bewusst auf die besonders sichere Lithium-Eisenphosphat-Chemie, welche ein thermisches Durchgehen (Thermal Runaway) erschwert. Im Gegensatz zu vermeintlich günstigen Blei-Gel-Akkus weisen Lithium-Eisenphosphat-Zellen eine rund 15 – 20-mal längere Lebensdauer und Zyklenfestigkeit auf. Bei Berechnung der TCO (Total Cost of Ownership) über den gesamten Einsatzzeitraum von mindestens 10 Jahren ergibt sich ein deutlicher Kostenvorteil gegenüber Blei-Säure-Batterien, zumal auch der Aufwand für Wartung und Batterietausch bei LiFePO₄ in diesem Zeitraum entfällt.

Die abgedichteten Gehäuseelemente und Anschlüsse des Aluminiumgehäuses sind resistent gegen Wasser, Eis, Öl und Staub gemäß der Schutzart IP65. Ein integriertes Druckausgleichselement mit Membran verhindert Kondensation im Inneren des Gerätes. Die Montagebohrungen am Gehäuse ermöglichen die flexible Wand- oder Mastmontage. Für die Laternenmast-Montage kommt das optional erhältliche Mastmontage-Set PSZ-1100 zum Einsatz.

Intelligente und kostensparende 24/7-Stromversorgungslösung

Durch den Einsatz der Bicker UPSI-2406IP-38AC konnte das aufwendige Verlegen neuer Stromleitungen für die permanente Stromversorgung der Umweltsensorik von Vaisala vermieden werden. Dank der intelligenten und leistungsstarken Outdoor-USV-Lösung mit LiFePO₄-Pufferung kann die Zeit zwischen den Beleuchtungsintervallen der Straßenlaternen sicher überbrückt werden – selbst in den Sommermonaten mit kurzen Ladezeiten in der Nacht. Das USV-System bietet zudem als Notstromversorgung zuverlässigen Schutz bei Stromausfall, Flicker oder Spannungseinbrüchen.