Neben großen zentralen Notstromversorgungen kommen oftmals dezentrale und integrierte DC-USV-Systeme mit modularem Aufbau zum Einsatz. In Kombination mit der Lade- und Steuerungseinheit gilt es, einen passenden Energiespeicher auszuwählen. Faktoren wie Baugröße, Leistungs- und Energiedichte und Temperaturbereich spielen bei dieser Abwägung eine Rolle, aber auch Lebensdauer, Sicherheit sowie Initial- und Folgekosten müssen Entwickler bei ihrer Entscheidung berücksichtigen.

Eckdaten

Für den Einsatz in DC-USV-Systemen bieten sich Lithium-Ionen-Zellen als Energiespeicher mit hoher Energiedichte und einem weiten Temperaturbereich an. Kombiniert mit einem Batterie-Management-System (BMS) ermöglicht die Lithium-Ionen-Technologie den Aufbau von Energiespeicherlösungen, welche im Vergleich zu Bleibatterien eine Platz- und Gewichtseinsparung ermöglichen und über kürzere Ladezeiten verfügen. Allerdings gilt es bei der Auswahl eines passenden Energiespeichers die Eigenschaften der verschiedenen Lithium-Ionen-Kathodenmaterialien genau zu betrachten.

Im Wesentlichen sind klassische Blei-Gel-Batterien, Reinblei-Zinn-Batterien (Cyclon-Zellen), Supercaps, konventionelle Lithium-Ionen-Zellen sowie Lithium-Eisen-Phosphat-Zellen (LiFePO4).

Bei Betrachtung der verschiedenen Arten von Lithium-Ionen-Batterien, stellt sich die Frage, unter welchen Bedingungen die Verwendung dieser Batterietechnologie für DC-USV-Systeme sinnvoll erscheint und welche Vor- und Nachteile die unterschiedlichen Materialkombinationen aufweisen.

Für die Energieversorgung von DC-USV-Systemen mit längeren Überbrückungszeiten kommen je nach Leistungsbedarf der Applikation meist Energiespeicher auf Blei- oder Lithium-Basis mit hoher Kapazität zum Einsatz. Ursprünglich fanden in diesem Bereich herkömmliche Blei-Schwefelsäure-Batterien Verwendung, jedoch hat sich mittlerweile die Lithium-Ionen-Batterietechnologie durchgesetzt. Zwar sind diese Energiespeicher in der Anschaffung teurer als klassische Blei-Gel-Batterien, jedoch lassen sich mit Lithium-Ionen-Batterien hohe Energiedichten mit einer Platz- und Gewichtseinsparung von bis zu 75 Prozent realisieren. Lithium ist das leichteste Metall des Periodensystems und besitzt gleichzeitig ideale elektrochemische Eigenschaften für die Realisierung hoher spezifischer Energiedichten (Wh/kg). Ebenfalls vielfach größer als bei Blei-Gel-Batterien ist die Anzahl der Ladezyklen, die realisierbare Entladetiefe (DoD; Depth of Discharge) sowie die Lebensdauer.

Neben zahlreichen weiteren Materialkombinationen haben sich unter anderem drei Kathodenmaterialien für Energiespeicher etabliert. Im Bereich der Eisenphosphate ist dies Lithium-Eisen-Phosphat (LFP; LiFePO4), im Bereich der Lithium-Metalloxid-Verbindungen unter anderem Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid (NMC; LiNiMnCoO2) und Lithium-Kobalt-Oxid (LCO; LiCoO2). Die verschiedenen Kathodenmaterialen entsprechender Lithium-Ionen-Batteriezellen bedingen neben unterschiedlichen Nennspannungen eine Vielzahl weiterer Eigenschaften, wie die Netzdiagramme in Bild 1 zeigen.

Aufbau und Funktionsweise von Lithium-Ionen-Zellen

Eine Lithium-Ionen-Zelle (Bild 2) besteht aus einer Kathode und einer Anode, umgeben von einer extrem reinen und wasserfreien Elektrolyt-Flüssigkeit, welche für den optimalen Transport der Lithium-Ionen verantwortlich ist. Aktuell besteht die Anode meist aus Kohlenstoff (C) in Form von Graphit zur Einlagerung der Lithium-Ionen aus dem Aktivmaterial der Kathode. Ein mikroporöser Separator, welcher nur für die Lithium-Ionen durchlässig ist, trennt die Kathode mit Aluminiumelektrode elektrisch von der Anode mit Kupferelektrode. Beim Ladevorgang verbindet eine Spannungsquelle die beiden Elektroden, was einen externen Elektronenfluss von der Kathode zur Anode in Gang setzt. Durch die Entfernung von Elektronen aus den Kathodenmaterial-Verbindungen beginnen sich die Lithium-Atome in der Kathode zu ionisieren. Die positiv geladenen Lithium-Ionen (Li+) lösen sich aus dem Verbund des Kathodenmaterials und diffundieren nun durch den Separator zur negativen Anode. Anschließend verbinden sie sich mit den Elektronen wieder zu neutralen Lithium-Atomen und lagern sich in der molekularen Graphit-Schichtstruktur der Anode ein (LiC6 <‑> C6 + Li+ + e).

Vergleich Lithium-Ionen-Energiespeicher

Bild 1: Lithium-Ionen-Energiespeicher im direkten Vergleich: LiFePO4 Lithium-Eisen-Phosphat (LFP), LiNiMnCoO2 Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid (NMC) und LiCoO2 Lithium-Kobalt-Oxid (LCO). Die Eigenschaften basieren auf herstellerspezifischen Beispielen. Die jeweiligen Parameter im Netzdiagramm werden von innen nach außen besser. Bicker Elektronik

Beim Entladevorgang über einen angeschlossenen Verbraucher findet der Prozess der Elektronen- und Lithium-Ionen-Bewegung in umgekehrter Richtung statt und die durch den Ladevorgang aufgenommene Energie wird über den Entladestrom an den Verbraucher abgegeben.

Zyklenlebensdauer von Li-Ionen-Batterien

Bild 02: Schematischer Aufbau einer Lithium-Ionen-Zelle (stark vereinfacht).

Bild 2: Schematischer Aufbau einer Lithium-Ionen-Zelle (stark vereinfacht). Bicker Elektronik

Bei jedem Vollzyklus ist die Lithium-Ionen-Zelle chemischen, thermischen und mechanischen Belastungen unterworfen, die eine Alterung der Zelle verursachen. Insbesondere das Laden mit hohen Strömen (Schnellladung) sowie bei tiefen Temperaturen kann zu Lithium-Plating an der Anode führen. Hierbei lagern sich die Lithium-Ionen nicht wie vorgesehen in die Graphit-Schichtstruktur der Anode ein, sondern werden an der Oberfläche der Graphitanode metallisch abgeschieden und führen so zu erheblichen Leistungseinbußen oder gar Kurzschlüssen innerhalb der Zelle. Hohe Ladeschlussspannungen oder gar Überladungen führen ebenfalls zu einer starken Wärmeentwicklung, Ausdehnung und Belastung der Lithium-Ionen-Zelle.

Auf den Energiespeicher optimierte Lade- und Entladeprofile mit angepassten Ladeschlussspannungen und Entladetiefen sowie der Einsatz eines Batterie-Management-Systems (BMS) schonen die Materialien der Lithium-Ionen-Zelle und sorgen für eine lange Lebensdauer. Hinsichtlich der Lagerung von Lithium-Ionen-Batterien sollten Anwender diese trotz der äußerst geringen Selbstentladung regelmäßig nachladen, um eine Tiefenentladung und die damit verbundene Destabilisierung der Zellchemie zu vermeiden.

Thermal Runaway bei Lithium-Ionen-Zellen

Bei der Auswahl eines Lithium-Ionen-Energiespeichers für DC-USV-Systeme empfiehlt sich ein genauer Blick auf das eingesetzte Kathodenmaterial, denn Lithium-Ionen-Technologie sorgt insbesondere in sicherheitstechnischer Hinsicht immer wieder für negative Schlagzeilen mit Bildern von brennenden Elektroautos oder schmelzenden Mobiltelefonen (Bild 3). Die hohe erzielbare Energiedichte aufgrund der elektrochemischen Vorteile von Lithium birgt unter anderem auch ein erhöhtes Brandrisiko, weshalb Lithium-Ionen-Batterien besonderen Transport- und Luftfrachtbestimmungen unterliegen.

Bild 03: Schwerwiegende Folgen eines Thermal Runaway: Mobiltelefon und Batterie sind komplett zerstört.

Bild 3: Schwerwiegende Folgen eines Thermal Runaway: Mobiltelefon und Batterie sind komplett zerstört. Bicker Elektronik/weerapat1003 @ AdobeStock

Starke Wärmeentwicklung bei Überladung, ein interner oder externer Kurzschluss, mechanische Beschädigung, produktionsbedingte Verunreinigungen oder starke äußere Hitzeeinwirkung können gerade bei Zellen mit chemisch und thermisch instabilem Kathodenmaterial zellinterne exothermische chemische Reaktionen auslösen. Die freiwerdende Wärmeenergie erhöht die Reaktionsgeschwindigkeit der Zellchemie und lässt die zellinterne Temperatur weiter ansteigen. Dieser sich selbstbeschleunigende Prozess lässt sich bei Überschreitung einer spezifischen Temperaturgrenze nicht mehr stoppen. Diese Temperaturgrenze ist abhängig von der eingesetzten Zell-Chemie und beträgt beispielsweise bei Lithium-Kobalt-Oxid 150 °C. Es kommt zum Thermal Runaway, was letztlich zum Brand oder zur Explosion der Zelle führen kann. Da der im Kathodenmaterial gebundene Sauerstoff in einem solchen Fall freigesetzt wird, ist ein derartiger Brand nur sehr schwer zu löschen. Deshalb müssen Lithium-Ionen-Energiespeicher mit Schutzschaltungen gegen Übertemperatur (OTP), Überstrom (OCP), Überspannung (OVP) und Kurzschluss (SCP) ausgestattet sein. Zusätzlich müssen sowohl die direkte Hitzeeinwirkung als auch jegliche mechanische Beschädigung der Zellen verhindert werden.

Lithium-Eisen-Phosphat als sichere Lithium-Ionen-Technologie

Mit Lithium-Eisen-Phosphat steht für das Kathodenmaterial eine stabile chemische Verbindung mit erhöhter Sicherheit zur Verfügung. Im Falle einer Überladung ist die entstehende Wärmeenergie geringer als bei LCO/NMC-Zellen. Selbst beim „Nageltest“ ist ein thermisches Durchgehen der LiFePO4-Zelle nahezu ausgeschlossen, da Lithium-Eisen-Phosphat im Fehlerfall nur wenig bis gar keinen Sauerstoff abgibt und die spezifische Temperatur für einen Thermal Runaway mit 270 °C wesentlich höher liegt als bei anderen Kathodenmaterialien.

Bild 4: LiFePO4-Batteriepacks von Bicker Elektronik sind in zahlreichen Leistungsklassen sowohl als geschrumpfte Batteriepacks BP-LFP (links), als auch in einer robusten DIN-Rail-Gehäusevariante BP-LFP-D (rechts) verfügbar.

Bild 4: LiFePO4-Batteriepacks von Bicker Elektronik sind in zahlreichen Leistungsklassen sowohl als geschrumpfte Batteriepacks BP-LFP (links), als auch in einer robusten DIN-Rail-Gehäusevariante BP-LFP-D (rechts) verfügbar. Bicker Elektronik

Insgesamt sind LiFePO4-Zellen wesentlich unempfindlicher gegenüber Hitze und selbst der Einsatz bei Minus-Temperaturen ist möglich. Der Temperaturbereich handelsüblicher LiFePO4-Zellen erstreckt sich hierbei von -30 bis +65 °C. Wobei Bicker Elektronik den Arbeitstemperaturbereich für Batteriepacks der BP-LFP-Serie bewusst auf -20 bis +55 °C spezifiziert: Einerseits ist bei extremen Minustemperaturen keine praktikable Ladung der Zellen mehr möglich. Andererseits erreichen die Zellen innerhalb eines Batteriepacks im Normalbetrieb bei einer Umgebungstemperatur von +55 °C aufgrund der Eigenerwärmung bereits eine Zelltemperatur von +65 °C und würden somit bei höheren Umgebungstemperaturen überlastet. Ein wichtiges Detail, welches Entwickler beim Produktvergleich von verschiedenen Zell- und Batteriepacks hinsichtlich der Temperaturangaben berücksichtigen sollten.

Generell gilt in diesem Zusammenhang die RGT-Regel (Reaktionsgeschwindigkeit-Temperatur-Regel), welche besagt, dass sich die Reaktionsgeschwindigkeit einer chemischen Reaktion bei einer Temperaturerhöhung um 10 K mindestens verdoppelt. Übertragen auf Batteriezellen bedeutet dies vereinfacht formuliert, dass sich bei einer Temperaturerhöhung von 10 °C die Lebensdauer der Komponenten halbiert. Deshalb sollten Systementwickler frühzeitig der Analyse und Optimierung des Temperatur- und Wärmemanagements einer Applikation besonderes Augenmerk schenken. Aufgrund der etwas niedrigeren Zellspannung von 3,2 V ist die Energiedichte von LiFePO4-Zellen zwar nicht ganz so hoch wie bei NMC/LCO-Zellen, jedoch wird dieser vermeintliche Nachteil bereits nach kurzer Einsatzdauer durch eine rund zehnfach höhere Zyklenfestigkeit ausgeglichen. Auch altern NMC/LCO-Zellen zyklisch schneller und weisen bereits nach rund 300 Zyklen nur noch 80 Prozent der Anfangskapazität auf. Dahingehend relativieren sich die etwas höheren Initialkosten beim Einsatz von Lithium-Eisen-Phosphat.

Darüber hinaus verfügen Lithium-Eisen-Phosphat-Energiespeicher im direkten Vergleich zu anderen Lithium-Ionen-Batterien über eine höhere Leistungsdichte, was hohe Lade- und Entladeströme sowie eine erhöhte Impulsbelastbarkeit ermöglicht. Zusätzlich leistet LiFePO4-Batterietechnologie durch den Verzicht auf giftige Schwermetalle wie Nickel oder den seltenen Rohstoff Kobalt einen aktiven Beitrag zum Schutz von Mensch und Umwelt.

Diese Vorteile machen Lithium-Eisen-Phosphat-Batteriezellen als sichere und besonders langlebige Energiespeicher für DC-USV-Systeme interessant. Ausgestattet mit einem Batterie-Management-System (BMS) sind entsprechende LiFePO4-Energiespeicher sowohl als geschrumpfte Batteriepacks BP-LFP als auch in einer DIN-Rail-Gehäusevariante BP-LFP-D bei Bicker Elektronik verfügbar (Bild 4). Zudem kommen die robusten LiFePO4-Batteriepacks auch in der integrierten Outdoor-USV-Lösung UPSI-IP mit geschlossenem Aluminiumgehäuse und IP67-Schutz für extreme Umgebungsbedingungen zum Einsatz (Bild 5).

Batterie-Management-System

Bild 5: Die DC-USV-Serie UPSI-IP von Bicker Elektronik im komplett geschlossenen Aluminiumgehäuse ist mit integrierten LiFePO4-Batteriepacks verfügbar. Die abgedichteten Gehäuseelemente und Steckverbinder sind wasser-, eis-, öl- und staubdicht nach Schutzart IP67.

Bild 5: Die DC-USV-Serie UPSI-IP von Bicker Elektronik im komplett geschlossenen Aluminiumgehäuse ist mit integrierten LiFePO4-Batteriepacks verfügbar. Die abgedichteten Gehäuseelemente und Steckverbinder sind wasser-, eis-, öl- und staubdicht nach Schutzart IP67. Bicker Elektronik

Gerade Lithium-Ionen-Energiespeicher benötigen hinsichtlich der Optimierung von Lebensdauer und Sicherheit zwingend ein BMS, welches sich entweder extern oder als integraler Bestandteil des Energiespeichers umsetzen lässt (Bild 6). Das BMS überwacht und steuert den kompletten Lade- und Entladevorgang jeder Batteriezelle des Energiespeichers (Bild 7).

  • Batterietyp-Authentifizierung zur automatischen Einstellung der passenden Ladeschlussspannung (BMS übermittelt Batterie-ID an USV-Steuereinheit)
  • Ladezustandsanzeige und SOC-Überwachung (State of Charge)
  • Überwachung der Zellspannungen
  • Stromfluss-Überwachung
  • Battery-Health- und Zyklen-Monitoring
  • Temperaturüberwachung des Batteriepacks mit Abschaltung bei Über-/Untertemperatur
  • Schutz vor Über-/Unterspannung an den Zellen, Überstrom und Tiefenentladung
  • Trennung des Hauptstrompfades bei Kurzschluss
Bild 6: LiFePO4-Batteriepack BP-LFP von Bicker Elektronik mit integriertem BMS.

Bild 6: LiFePO4-Batteriepack BP-LFP von Bicker Elektronik mit integriertem BMS. Bicker Elektronik

Eine weitere Kernaufgabe des BMS ist das Cell-Balancing. Innerhalb eines Energiespeichers werden zur Erhöhung der Nennspannung mehrere Einzelzellen in Reihe geschaltet. Aufgrund von Fertigungstoleranzen und unterschiedlich starker Alterung der Zellen unterscheiden sich diese in Kapazität und Innenwiderstand. Die Leistungsfähigkeit und Gesamtkapazität des Lithium-Ionen-Batteriepacks richtet sich in diesem Fall nach der schwächsten Zelle im Verbund, da diese beim Ladevorgang als erste den Spannungsgrenzwert für die Ladebegrenzung erreicht und somit die vollständige Aufladung der restlichen Zellen verhindert (Bild 8). Dies beeinflusst Lebensdauer, Zyklenanzahl und Kapazität des Energiespeichers negativ und kann letztlich sogar die Beschädigung des Batteriepacks hervorrufen. Das Cell-Balancing gleicht diese Unterschiede zwischen den einzelnen Verbund-Batteriezellen durch eine entsprechende Beschaltung aus und sorgt für eine ausgewogene und gleichmäßige Ladung aller Zellen, sodass die volle Kapazität des Lithium-Ionen-Batteriepacks nutzbar bleibt und keine kritischen Extremsituationen an einzelnen Zellen entstehen.

BMS mit Batterie-Relax-Modus verlängert Lebensdauer der Batterien

Bild 07: Das Batterie-Management-System (BMS) steuert und überwacht den gesamten Lade- und Entladevorgang.

Bild 7: Das Batterie-Management-System (BMS) steuert und überwacht den gesamten Lade- und Entladevorgang. Bicker Elektronik

Mit dem Batterie-Relax-Modus greift Bicker Elektronik die Problematik auf, dass in vielen DC-USV-Systemen der Batteriepack oft über sehr lange Zeit auf Ladeschlussspannung am Lader betrieben wird, um die volle USV-Bereitschaft jederzeit zu gewährleisten. Wenn jedoch Lithium-Ionen-Zellen über derart lange Zeiträume unter ständiger Belastung im Ladeschluss-Zustand bleiben, nimmt die Lebensdauer der Zellen nach einigen Monaten ab. Zur Schonung der Zellen ist es daher notwendig, nach einer definierten Zeit den Lade-MOSFET bei Ladeschluss zu deaktivieren. Der Entlade-MOSFET bleibt weiterhin aktiv, sodass eine Entladung jederzeit möglich ist. Bei detektierter Entladung wird der zuvor deaktivierte Lade-MOSFET unmittelbar wieder zugeschaltet, sodass der Stromfluss über die Body-Diode nur wenige Mikrosekunden andauert und der Lader in den regulären Betriebsmodus zurückkehrt. Die Schonung des Batteriepacks durch den Relax-Modus resultiert in einer verlängerten Lebensdauer und somit einer erhöhten Systemverfügbarkeit.

Bild 08: Das Cell-Balancing gleicht die Ladekurven einzelner Zellen an, so dass die maximale Kapazität des Batteriepack erreicht wird.

Bild 8: Das Cell-Balancing gleicht die Ladekurven einzelner Zellen an, sodass die maximale Kapazität des Batteriepack erreicht wird. Bicker Elektronik

Bei der System-Present-Funktion bleibt der Ausgang des Batteriepacks solange deaktiviert (Ausgangsspannung = 0 V) bis dieser mit der DC-USV-Einheit verbunden und freigeschaltet wird. Da die Bauteile auf der BMS-Platine im Standby-Betrieb laufen, erhöht diese Stromsparfunktion die Lagerfähigkeit des Batteriepacks.