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USV-Akku gesucht

22. Januar 2020, 07:30 Uhr   |  Apostolos Baltos und Jochen Kessens


Fortsetzung des Artikels von Teil 1 .

Lithium-Eisenphosphat – die sichere Alternative

Mit Lithium-Eisenphosphat (LiFePO4) steht für das Katodenmaterial eine stabile chemische Verbindung zur Verfügung, die mehr Sicherheit bietet. Im Falle einer Überladung ist die entstehende Wärmeenergie wesentlich geringer als bei LCO/NMC-Zellen. Selbst beim sogenannten Nageltest (interner Kurzschluss der Zelle durch Eindringen eines metallischen Körpers) ist ein thermisches Durchgehen der LiFePO4-Zelle nahezu ausgeschlossen, da diese chemische Verbindung im Fehlerfall nur wenig bis gar keinen Sauerstoff abgibt und die spezifische Temperatur für ein thermisches Durchgehen mit +270 °C wesentlich höher liegt als bei anderen Katodenmaterialien.

Insgesamt sind LiFePO4-Zellen wesentlich unempfindlicher gegenüber Hitze und selbst der Einsatz bei Minustemperaturen ist möglich. Der Temperaturbereich handelsüblicher LiFePO4-Zellen erstreckt sich hierbei von –30 °C bis +65 °C. Bicker Elektronik hat den Arbeitstemperaturbereich ihrer Akkupacks der BP-LFP-Serie bewusst auf –20 °C bis +55 °C spezifiziert. Denn einerseits ist bei extremen Minustemperaturen lassen sich die Zellen eigentlich nicht mehr laden. Andererseits erreichen die Zellen innerhalb eines Akkupacks im Normalbetrieb bei einer Umgebungstemperatur von +55 °C aufgrund der Eigenerwärmung bereits eine Zelltemperatur von +65 °C (und würden somit bei höheren Umgebungstemperaturen überlastet). Dieses Detail sollte man beim Produktvergleich von verschiedenen Zell- und Batteriepacks hinsichtlich der Temperaturangaben berücksichtigen.

Generell gilt in diesem Zusammenhang die RGT-Regel (Reaktionsgeschwindigkeit-Temperatur-Regel). Diese besagt, dass sich die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion bei einer Temperaturerhöhung um 10 K (Kelvin) mindestens verdoppelt. Übertragen auf Akkuzellen bedeutet dies vereinfacht formuliert, dass sich bei einer Temperaturerhöhung von 10 K 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 (über 3000 Lade- und Entladezyklen bei 80 % der Anfangskapazität) mehr als ausgeglichen. NMC/LCO-Zellen altern wesentlich schneller und weisen bereits nach etwa 300 Zyklen nur noch 80 % der Anfangskapazität auf. Dahingehend relativieren sich die etwas höheren Initialkosten beim Einsatz von Lithium-Eisenphosphat.

Bicker Elektronik, DC-USV, UPS
© Bicker Elektronik

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

Darüber hinaus verfügen Lithium-Eisen-Phosphat-Akkus im direkten Vergleich zu anderen Lithium-Ionen-Chemien über eine höhere Leistungsdichte. Deswegen sind höhere Ströme bei Laden und Entladen möglich und die Impulsbelastbarkeit ist höher. Nicht zuletzt leisten LiFePO4-Akkus einen aktiven Beitrag zum Schutz von Mensch und Umwelt, weil sie ohne giftige Schwermetalle wie Nickel oder dem seltenen Rohstoff Kobalt auskommen.

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

Bicker Elektronik, DC-USV, UPS
© Bicker Elektronik

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 staub- dicht nach Schutzart IP67.

Wie bereits erwähnt benötigen gerade Lithium-Ionen-Zellen ein Batterie-Management-System (BMS), um deren Lebensdauer zu maximieren und stets Si-cherheit zu gewährleisten. Ein BMS lässt sich entweder extern oder als integraler Bestandteil des Energiespeichers umsetzen und überwacht und steuert den kompletten Lade- und Entladevorgang jeder Akkuzelle des Energiespeichers. Weitere Details zum BMS finden sich in [1].

Fazit

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-Leistungs-Verhältnis an. Kombiniert mit einem Batterie-Management-System lassen sich mit dieser Technologie besonders leistungsfähige und effiziente Energiespeicherlösungen aufbauen, die im Vergleich zu Bleiakkus enorm an Platz und Gewicht einsparen und sich schnell laden lassen.

Allerdings gilt es bei der Auswahl eines passenden Energiespeichers die Eigenschaften der verschiedenen Katodenmaterialien genau zu betrachten. Neben konventionellen Lithium-Ionen-Zellen auf Basis von Lithium-Kobaltoxid (LCO) oder Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid (NMC) hat sich insbesondere Lithium-Eisenphosphat (LiFePO4) als äußerst robuste, sichere und langlebige Zellchemie etabliert. Mit einer zehnfachen Zyklenzahl im Vergleich zu LCO/NMC und einer niedrigen Total Cost of Ownership (TCO) können LiFePO4-Energiespeicher mit ihren Langzeiteigenschaften und geringem Wartungsaufwand ein hohes Maß an Investitionsschutz und funktionaler Sicherheit bieten.

LITERATURVERZEICHNIS
[1] A. Baltos, J. Kessens: DC-USV-Systeme richtig auswählen, DESIGN&ELEKTRONIK 03/2019 S. 38ff.

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