Eckdaten

Der Artikel geht darauf ein, welche Faktoren bei Auswahl und Dimensionierung von DC-USV-Systemen mit entsprechender Batterietechnologie beachtet werden müssen.

Die Anforderungen an eine DC-USV sind vielfältig und individuell.

Die Anforderungen an eine DC-USV sind vielfältig und individuell. pitsanu_1982/ Bicker Elektronik

Unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) stellen in einer zunehmend komplexen und vernetzten Infrastruktur die ausfallsichere Verfügbarkeit prozessrelevanter Systeme und Komponenten sicher. Bei den zu versorgenden Komponenten kann es sich um Embedded-Industrie-PCs, IIoT-Gateways, Geräte für Medizin- und Labortechnik, Steuerungen, Motorantriebe, Sensorik oder Sicherheitstechnik handeln.

Bild 1: Batterietechnologien für DC-USV-Systeme im direkten Vergleich. Die Eigenschaften basieren auf herstellerspezifischen Beispielen. Die jeweiligen Parameter im Netzdiagramm werden von innen nach außen besser.

Bild 1: Batterietechnologien für DC-USV-Systeme im direkten Vergleich. Die Eigenschaften basieren auf herstellerspezifischen Beispielen. Die jeweiligen Parameter im Netzdiagramm werden von innen nach außen besser. Bicker Elektronik

Bild 2: Energie- und Leistungsdichtevergleich verschiedener Batterietechnologien

Bild 2: Energie- und Leistungsdichtevergleich verschiedener Batterietechnologien Bicker Elektronik

Für die unterbrechungsfreie Stromversorgung kommen immer öfter dezentrale und modulare DC-USV-Systeme zum Einsatz, welche direkt an der Maschine oder in die Applikation integriert werden können. Im Gegensatz zu großen, zentralen USV-Einheiten sind diese kompakt ausgeführt und erreichen einen hohen Wirkungsgrad von bis zu 97 %. Gerade im Bereich Industrie 4.0/IIoT mit seiner verteilten Systemarchitektur, aber auch bei autarken Systemen ist dieser dezentrale Ansatz unumgänglich. Die Anforderungen an eine DC-USV sind hierbei vielfältig und individuell. Nicht zuletzt soll eine derartige „Versicherung gegen Stromausfälle“ möglichst kostengünstig, langlebig, wartungsfrei, flexibel und zuverlässig umgesetzt werden. Um diese Ziele optimal zu erreichen, 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. In Bild 1 sind zentrale Eigenschaften und Kriterien verschiedener Technologien im direkten Vergleich dargestellt. Für tiefergehende Informationen zu den technologischen Unterschieden und Auswahlkriterien der genannten Energiespeicher stellt Bicker Elektronik interessierten Lesern das umfangreiche Whitepaper „Auswahl der richtigen Batterietechnologie für langlebige und sichere DC-USV-Systeme“ kostenlos zur Verfügung.

Im Bereich kurzer und mittlerer Überbrückungszeiten beschreibt das Whitepaper Aufbau, Funktion und Beschaltung wartungsfreier Supercaps als hocheffiziente und besonders langlebige Energiespeicher mit hoher Leistungsdichte und mehr als 500.000 Lade- und Entladezyklen. 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 (Bild 2). 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 (LCO) oder Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid (NMC) kann es unter bestimmten Bedingungen zu zellinternen exothermischen chemischen Reaktionen kommen, die letztlich in einem unkontrollierbaren „Thermal Runaway“ enden – vielen Lesern sicherlich bekannt durch die Berichterstattung über brennende Mobiltelefone und Elektroautos. Mit Lithium-Eisen-Phosphat steht für das Kathodenmaterial eine wesentlich stabilere chemische Verbindung mit erhöhter Sicherheit und einer rund zehnfach höheren Zyklenfestigkeit zur Verfügung. All diese Aspekte werden ausführlich im genannten Whitepaper behandelt.

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 Lithium-Eisenphosphat-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), die 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 elektronischer Komponenten eines Endgerätes verlängert.

Auf der nächsten Seite geht es um die applikationsspezifische Dimensionierung der DC-USV

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