Batterie plus Kondensator Lithium-Hybrid-Batterie für Smart-Meter

Elektronische Verbrauchszähler müssen viele Jahre arbeiten, Wasseruhren beispielsweise 20 Jahre ohne Batterietausch. Neuerdings müssen moderne Systeme auch »intelligent« sein und eine bidirektionale Funkverbindung unterstützen, die hohe Pulsströme zieht. Klassische Batterien haben damit ein Problem.

Automatische Zählerablesung (Automated Meter Reading, AMR) und die technische Infrastruktur zur Übermittlung von Zählerständen (Automated Metering Infrastructure, AMI) sind Technologien für eine »intelligente« Verbrauchszählung, die auch auf dem Markt für Wasserversorger langsam an Schwung gewinnen. Dabei gibt es diese Technik bereits seit Mitte der 1980er Jahre. Ihr branchenweiter Einsatz und Ausbau hat sich jedoch erst in den letzten Jahren beschleunigt. Ein Grund dafür ist die längere Batterielebensdauer.

Der weitaus größte Teil der von den Marktführern entwickelten Wasseruhren mit AMR/AMI-Funktion arbeitet mit Lithium-Thionylchlorid-Batterien (LTC). Von allen Lithiumbatterien bietet diese die höchste spezifische Energie (Energieausbeute im Verhältnis zum Gewicht) und die höchste Energiedichte (Energieausbeute pro Volumeneinheit). Außerdem können Lithiumzellen mit wasserfreiem Elektrolyt realisiert werden, wodurch manche Ausführungen auch unter Extremtemperaturen (-55 °C bis +125 °C) noch voll funktionsfähig bleiben.

Batterien des LTC-Systems werden vorwiegend in zwei Varianten produziert: als Zelle mit zylindrischer Kathode (bobbin type) sowie als Wickelzelle (spiral wound). Die erstgenannte Bauweise ist für AMR/AMI-Anwendungen am besten geeignet, da sie mehrere Vorzüge kombiniert: hohe Energiedichte bei hoher Zellenspannung, einen weiten Bereich von Einsatztemperaturen und eine extrem geringe jährliche Selbstentladung.

Bei Wickelzellen bestehen die Elektroden aus dünnen Lagen, die zusammen mit einem Separatormaterial aufgewickelt werden. Auf diese Weise entstehen große elektrochemisch wirksame Oberflächen, die eine entsprechend hohe Stromausbeute ermöglichen. Je mehr Lagen in einer solchen Wickelzelle untergebracht sind, umso weniger Platz bleibt für den aktiven Elektrolyt. Im Verhältnis dazu können zylindrische Zellen etwa 30% mehr Energie freisetzen als Wickelzellen.

Lithiumzellen mit zylindrischem Aufbau wurden zuerst von der Firma Aclara (vormals Hexagram) in der ersten Generation von elektronischen Verbrauchszählern im Jahre 1984 eingesetzt. Millionen dieser Einheiten sind bis heute in Betrieb, und die ältesten Exemplare laufen noch immer mit ihrer Originalbatterie von Tadiran − seit 27 Jahren im Feldeinsatz.

Neues Batteriedesign

AMR/AMI-Netzwerke werden zunehmend komplexer und bieten immer mehr Funktionen, wie zum Beispiel Zweiwege-Funkverbindungen, die bedarfsweise für Messwerterfassung und Sendebetrieb hohe Strompulse benötigen. Als Antwort auf diesen steigenden Bedarf hat Tadiran die »PulsesPlus«-Batterie entwickelt. Sie verbindet eine LTC-Batterie in üblicher Zylinderkonstruktion mit einem Hybridschichtkondensator (Hybrid Layer Capacitor, HLC). Diese Kombination ermöglicht modernen Verbrauchszählern einerseits den Langzeitbetrieb mit niedrigem Strombedarf, andererseits die sofortige Entnahme von hohen Spitzenströmen, wenn Daten zu erfassen oder zu senden sind, gefolgt wiederum von einer niedrigen Stromentnahme im Sleep- oder Standby-Modus.

Ein weiteres Merkmal der Pulses-Plus-Batterie ist ihre definierte Entladekurve. Damit lässt sich in verschiedenen Einsatzgebieten das Ende der Batterielebensdauer erkennen, sodass sich ein turnusgemäßer Batteriewechsel planen lässt. Diesen Batterietyp gibt es standardmäßig in 3,6-V-LTC-Technologie, bedarfsweise aber auch in 3,9-V-LSC-Technologie (Lithium/Schwefelchlorid). Letztere kommt dann zum Einsatz, wenn die Anforderung an die Spannungslage, insbesondere bei tiefen Temperaturen, besonders hoch ist.

Der Einsatz der neuen PulsesPlus-Batterie kann in AMR/AMI-Systemen ganz konkrete Vorteile für Versorgungsunternehmen und ihre Kunden mit sich bringen. Ein Beispiel ist das Infrastrukturnetzwerk »Mi.Net« für Stadtwerke von Mueller Systems, eine Komplettlösung für die Verbrauchsablesung bis hin zur Rechnungserstellung. Ein kritisches Element bei diesem System ist die Schnittstelle »Mi.Node« für Wasseruhren, die eine Zweiwegekommunikation zwischen dem Netz beziehungsweise fest installierten AMI-System und dem Smart-Meter realisieren muss.

Daten vom Zähler werden zwischenzeitlich im Speicher des Mi.Node vorgehalten und erst bei Bedarf oder auch in festgelegten Abständen auf einer freien ISM-Frequenz an den sogenannten »Mi.Gate«-Collector gesendet. Dieser sammelt die Daten und leitet sie später an den Server des Mi.Net-Systems weiter.

Da Mi.Node häufig in Kellerbereichen installiert wird, ist es konstruktiv besonders gut gegen eindringende Feuchtigkeit geschützt.

Diese spezielle Bauweise, zusammen mit der Batterietechnologie von Tadiran, erlaubt Mueller Systems, eine Produktgarantie von 20 Jahren zu gewährleisten (Bild 1). Gleichzeitig können diese Einheiten das tatsächliche Ende der Batterielebensdauer automatisch erkennen, was genau planbare Batteriewechsel erlaubt und den Betrieb dieser Systeme auch über den garantierten 20-Jahres-Zeitraum hinaus ermöglicht.

Über den Autor:

Dr. Thomas Dittrich ist Manager für Anwendungstechnik bei Tadiran Batteries.