Li-Ionen-Batterietechniken im Vergleich Die Qual der Wahl

Um für eine zuverlässige und unterbrechungsfreie Stromversorgung zu sorgen, stehen verschiedene Batterietechnologien zur Verfügung. Doch bei der Auswahl der jeweils richtigen Energieversorgung müssen verschiedene Faktoren beachtet werden.

Die unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) von Systemen und Komponenten in industriellen und medizintechnischen Applikationen ist oftmals essenziell oder gar von lebenserhaltender Bedeutung. Mess-, Steuer- und Regelungstechnik, Embedded-PCs, Robotik, Stellantriebe, Kameras, Sensorik oder mobile Systeme müssen zuverlässig vor Ausfällen, Flicker oder Spannungseinbrüchen der DC-Stromversorgung mit 12 V, 24 V oder 48 V geschützt werden.

Neben großen zentralen Notstromversorgungen kommen häufig dezentrale und integrierte DC-USV-Systeme mit modularem Aufbau zum Einsatz. In Kombination mit der Lade- und Steuerungseinheit gilt es, einen passenden Energiespeicher auszuwählen. Besonders Faktoren wie Baugröße, Leistungs- und Energiedichte, Temperaturbereich, Lebensdauer, Sicherheit sowie Initial- und Folgekosten spielen bei der Abwägung eine wichtige Rolle. Im Wesentlichen sind folgende Energiespeicher für den Einsatz in DC-USV-Systemen relevant: Klassische Blei-Gel-Batterien, Reinblei-Zinn-Batterien (Cyclon-Zellen), Supercaps (Ultrakondensatoren), konventionelle Lithium-Ionen-Zellen, unter anderem LCO und NMC, sowie Lithium-Eisen-Phosphat-Zellen (LiFePO4).

Doch unter welchen Bedingungen ist die Verwendung der verschiedenen Batterietechnologie für DC-USV-Systeme sinnvoll und welche Vor- und Nachteile weisen die unterschiedlichen Materialkom­binationen auf?

Kompakt und leistungsfähig

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. Als Nachfolger der herkömmlichen Blei-Schwefelsäure-Batteriechemie hat sich mittlerweile die moderne Lithium-Ionen-Batterie durchgesetzt. Zwar sind diese Energiespeicher in der Anschaffung teurer als klassische Blei-Gel-Batterien, jedoch lassen sich mit Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion) besonders 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). Auch die Anzahl der Ladezyklen, die realisierbare Entladetiefe DoD (Depth of Discharge) sowie die Lebensdauer sind um ein Vielfaches größer als bei Blei-Gel-Batterien.Neben zahlreichen weiteren Materialkombinationen haben sich unter anderem drei Kathodenmaterialien für Energiespeicher etabliert.

Im Bereich der Eisenphosphate ist das LiFePO4 Lithium-Eisen-Phosphat (LFP), im Bereich der Lithium-Metalloxid-Verbindungen unter anderem LiNiMnCoO2 Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid (NMC) und LiCoO2 Lithium-Kobalt-Oxid (LCO). Die verschiedenen Kathodenmaterialen entsprechender Lithium-Ionen-Batteriezellen bedingen neben unterschiedlichen Nennspannungen eine Vielzahl weiterer Eigenschaften (Bild 1).

Aufbau und Funktionsweise von Lithium-Ionen-Zellen

Eine Lithium-Ionen-Zelle (Bild 2) besteht vereinfacht gesagt aus einer Kathode und einer Anode, umgeben von einer extrem reinen und wasserfreien Elek­trolyt-Flüssigkeit, die für den optimalen Transport der Lithium-Ionen sorgt. Handelt es sich dagegen um ein festes Elektrolyt, spricht man von Lithium-Polymer-Batterien.

Die Anode besteht meist aus Kohlenstoff (C) in Form von Graphit zur Einlagerung der Lithium-Ionen aus dem Aktivmaterial der Kathode. Der mikroporöse Separator, der nur für die Lithium-Ionen durchlässig ist, trennt die Kathode – mit einer Aluminiumelektrode – elektrisch von der Anode – mit Kupferelektrode. Beide Elektroden werden beim Ladevorgang über eine Spannungsquelle verbunden, die 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, verbinden sich mit den Elektronen wieder zu neutralen Lithium-Atomen und lagern sich in der molekularen Graphit-Schichtstruktur der Anode ein ( LiC6  < >  C6 + Li+ + e- ).

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.

Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien

Bei jedem Vollzyklus – Laden und Entladen – ist die Lithium-Ionen-Zelle chemischen, thermischen und mechanischen Belastungen wie Ausdehnung unterworfen, die eine Alterung der Zelle verursachen. Insbesondere das Laden mit hohen Strömen, zum Beispiel Schnellladung, sowie das Laden bei tiefen Temperaturen können 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 Überladung 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 (DoD, Depth of Discharge) 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 diese trotz der äußerst geringen Selbstentladung regelmäßig nachgeladen werden, 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-Batterien sorgen 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 Brandrisi­­-ko. Für Lithium-Ionen-Batterien gelten aus diesem Grund besondere Transport- und Luftfrachtbestimmungen.

Gerade bei Zellen mit chemisch und thermisch instabilem Kathodenmaterial wie Lithium-Kobalt-Oxid (LCO) oder Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid (NMC) kann starke Wärmeentwicklung bei Überladung, ein interner oder externer Kurzschluss, mechanische Beschädigung, produktionsbedingte Verunreinigungen oder starke äußere Hitzeeinwirkung eine zellinterne exothermische chemische Reaktion auslösen.

Die freiwerdende Wärmeenergie erhöht die Reaktionsgeschwindigkeit der Zellchemie und lässt die zellinterne Temperatur weiter ansteigen. Bei Überschreitung einer spezifischen Temperaturgrenze kann dieser sich selbst­beschleunigende Prozess nicht mehr gestoppt werden. Die Temperaturgrenze ist abhängig von der eingesetzten Zell-Chemie und beträgt beispielsweise 150 °C bei Lithium-Kobalt-Oxid (LCO). Es kommt zum Thermal Runaway (thermisches Durchgehen), was letztlich zum Brand oder zur Explosion der Zelle führen kann. Weil der im Kathodenmaterial gebundene Sauerstoff in einem solchen Fall freigesetzt wird, ist ein derartiger Brand nur sehr schwer zu löschen.

Aus diesem Grund müssen Lithium-Ionen-Energiespeicher mit Schutzschaltungen gegen Übertemperatur (OTP), Überstrom (OCP), Überspannung (OVP) und Kurzschluss (SCP) ausgestattet sein sowie die direkte Ein­wirkung von Hitze und mechanische Beschädigungen der Zellen verhindert werden.

Sicher und langlebig mit Lithium-Eisen-Phosphat

Mit Lithium-Eisen-Phosphat (LiFePO4) steht für das Kathodenmaterial eine stabile chemische Verbindung mit erhöhter Sicherheit zur Verfügung. Im Falle einer Überladung ist die entstehende Wärmeenergie wesentlich geringer als bei LCO/NMC-Zellen. Selbst beim »Nageltest«, dabei wird ein interner Kurzschluss der Zelle durch Eindringen eines metallischen Körpers ausgelöst, 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.

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 der Arbeitstemperaturbereich für die LiFePO4-Batteriepacks der BP-LFP-Serie von Bicker Elektronik bewusst auf -20 bis 55 °C spezifiziert wurde: 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, das beim Produktvergleich von verschiedenen Zell- und Batteriepacks hinsichtlich der Temperaturangaben berücksichtigt werden sollte.

Generell gilt in diesem Zusammenhang die RGT-Regel (Reak­tionsgeschwindigkeit-Temperatur-Regel), die besagt, dass sich die Reak­tionsgeschwindigkeit einer chemischen Reaktion bei einer Temperaturerhöhung um 10 K (Kelvin) mindestens verdoppelt. Übertragen auf Batteriezellen bedeutet das: Bei einer Temperaturerhöhung von 10 °C halbiert sich die Lebensdauer der Komponenten. Darum 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 mehr als ausgeglichen. NMC/LCO-Zellen altern zyklisch wesentlich schneller und weisen bereits nach etwa 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. Nicht zuletzt leisten LiFePO4-Batterien durch den Verzicht auf giftige Schwermetalle wie Nickel oder dem seltenen Rohstoff Kobalt einen aktiven Beitrag zum Schutz von Mensch und Umwelt.

Mit all diesen Vorteilen eignen sich Lithium-Eisen-Phosphat-Batteriezellen als sichere und besonders langlebige Energiespeicher für DC-USV-Systeme. Ausgestattet mit einem Hochleistungs-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 und alle folgenden in der Bildergalerie). Zudem kommen LiFePO4-Batteriepacks in der inte­grierten Outdoor-USV-Lösung UPSI-IP mit geschlossenem Aluminiumgehäuse und IP67-Schutz für extreme Umgebungsbedingungen zum Einsatz (Bild 5).

Batterie-Management-System (BMS)

Gerade Lithium-Ionen-Energiespeicher benötigen hinsichtlich der Optimierung von Lebensdauer und Sicherheit zwingend ein Batterie-Management-System (BMS), das entweder extern oder als integraler Bestandteil des Energiespeichers umgesetzt werden kann (Bild 6). Das BMS überwacht und steuert den kompletten Lade- und Entladevorgang jeder Batteriezelle des Energiespeichers (Bild 7). Außerdem übernimmt das BMS folgende Aufgaben:

  • 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

Cell-Balancing-Funktion

Eine weitere Kernaufgabe des BMS (Batterie-Management-System) 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).

Bilder: 5

Die Bilder 4 bis 8 des Artikels

Lithium-Ionen-Batterietechniken im Vergleich

Das beeinflusst Lebensdauer, Zyklenanzahl und Kapazität des Energiespeichers negativ und kann letztlich sogar die Beschädigung des Batteriepacks hervorrufen. Das Cell-Balancing – aktiv oder passiv – 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. Durch das übergeordnete Cell-Balancing kann die Lebensdauer des Batteriepacks entscheidend verlängert werden.

BMS mit Batterie-Relax-Modus

In vielen DC-USV-Systemen wird der Batteriepack oft über sehr lange Zeit auf Ladeschlussspannung am Lader betrieben, 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 stark ab. Zur Schonung der Zellen ist es daher notwendig, dass nach einer definierten Zeit der Lade-MOSFET bei Ladeschluss deaktiviert wird.

Der Entlade-MOSFET bleibt weiterhin aktiv, sodass eine Entladung jederzeit möglich ist. Bei detektierter Entladung, zum Beispiel bei USV-Betrieb nach einem Stromausfall, 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 sorgt für eine deutlich verlängerte Lebensdauer und somit einer erhöhte Systemverfügbarkeit.

System-Present-Funktion

Bei der System-Present-Funktion bleibt der Ausgang des Batteriepacks solange deaktiviert bis dieser mit der DC-USV-Einheit verbunden und freigeschaltet wird. Da die Bauteile auf der BMS-Platine im Stand-by-Betrieb laufen, erhöht diese Stromsparfunktion die Lagerfähigkeit des geladenen Batteriepacks.

Ein passender Energiespeicher

Für den Einsatz in DC-USV-Systemen bieten sich Lithium-Ionen-Zellen als Energiespeicher mit hoher Energiedichte, einem weiten Temperaturbereich und einem sehr guten Preis-Leistungsverhältnis an. Kombiniert mit einem Batterie-Management-System ermöglicht die Lithium-Ionen-Technologie den Aufbau besonders leistungsfähiger und effizienter Energiespeicherlösungen, welche im Vergleich zu Bleibatterien eine enorme Platz- und Gewichtseinsparung ermöglichen und mit kurzen Ladezeiten überzeugen.

Allerdings gilt es bei der Auswahl eines passenden Energiespeichers die Eigenschaften der verschiedenen Lithium-Ionen-Kathodenmaterialien genau zu betrachten. Neben konventionellen Lithium-Ionen-Zellen auf Basis von Lithium-Kobalt-Oxid (LCO) oder Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid (NMC) hat sich insbesondere Lithium-Eisen-Phosphat (LiFePO4) als besonders robuste, sichere und langlebige Zellchemie etabliert. Mit einer 10-fach höheren Zyklenanzahl im Vergleich zu LCO/NMC und einer niedrigen Total Cost of Ownership (TCO) bieten LiFePO4-Energiespeicher optimale Langzeiteigenschaften mit geringem Wartungsaufwand und einem hohen Maß an Investitionsschutz und funktionaler Sicherheit.

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