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Batterietechnologien und -management von USVs

24. Oktober 2018, 12:00 Uhr | Von Apostolos Baltos und Jochen Kessens

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Zusatzfunktionen von BMS und Energiespeicher

Beim DC-USV-System UPSI und den zugehörigen Energiespeichern integriert Bicker Elektronik zwei spezielle Features für zusätzliche Sicherheit und höhere Lebensdauer der Batteriepacks: die System-Present-Funktion und den Batterie-Relax-Modus.

System-Present-Funktion

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 Stand-by-Betrieb laufen, erhöht diese Stromsparfunktion die Lagerfähigkeit des (geladenen) Batteriepacks.

Batterie-Relax-Modus

Mit dem Batterie-Relax-Modus greift Bicker Elektronik die Problematik auf, dass in sehr vielen DC-USV-Systemen der Batteriepack oft über sehr lange Zeit (gegebenenfalls über Monate) 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 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 (USV-Betrieb nach 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 resultiert in einer deutlich längeren Lebensdauer und somit einer höheren Systemverfügbarkeit.

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Bauformen und Einsatzgebiete

Neben Chemie und Aufbau einzelner Supercaps und Batteriezellen (zylindrisch, prismatisch oder als Pouch-Zelle) spielt für die konkrete Umsetzung in einer Applikation die Auswahl der Bauform des kompletten DC-USV-Systems – bestehend aus Energiespeicher, Steuerungs- und Ladeeinheit – ebenfalls eine wichtige Rolle. Aus den Anforderungen an Laststrom, Überbrückungszeit, Platzangebot und Temperaturbereich resultiert zunächst die Kapazität und Technologie des Energiespeichers.

Für die Implementierung bieten sich entweder besonders kompakte Bauformen, die alle Komponenten auf einem Modul vereinen, oder modular aufgebaute DC-USV-Systeme an. Beispielsweise kann das Supercap-DC-USV-Modul der UPSIC-Serie (Bild 6) mit einer Grundfläche von nur 135 mm x 79,5 mm direkt in kompakte Robotik- und Automatisierungssysteme zur Absicherung einzelner Aktoren oder Sensoren integriert werden oder Low-Power-Embedded-Computersysteme absichern. Zusätzlich steht noch eine erweiterte Version UPSIC-D im DIN-Rail-Gehäuse zur Verfügung.

Bei größerem Energiebedarf, zum Beispiel in der Steuerungs-, Sicherheits- und Regeltechnik, bieten sich modulare und flexible DC-USV-Systeme mit separaten Energiespeichern an. Diese können bei Bedarf zu einem späteren Zeitpunkt gegen Energiespeicher höherer Kapazität oder durch alternative Batterietechnologie ausgetauscht werden.

Für die Anwendung der genannten DC-USV-Lösungen innerhalb von Schaltschränken bieten Hersteller wie Bicker Elektronik neben voll integrierbaren Open-Frame-Versionen auch besonders robuste und geschlossene DIN-Rail-Versionen der Energiespeicher mit Aluminiumgehäuse und Schnellmontage-Halterung für die Hutschiene an (Bild 7).

In Anbetracht der höchst unterschiedlichen Anforderungsprofile an eine unterbrechungsfreie DC-Stromversorgung sollte bei der Auswahl eines DC-USV-Systems zunächst immer die individuelle Design-in-Beratung und applikationsspezifische Konzeption gemeinsam mit dem Stromversorgungshersteller stehen.

Eine flexibel einsetzbare Steuerungs- und Ladeelektronik vorausgesetzt gilt es, einen passenden Energiespeicher hinsichtlich Zuverlässigkeit, Sicherheit, Lebensdauer, Leistungsfähigkeit und Kosten unter Berücksichtigung der dargestellten Faktoren zu definieren. Bei der Beurteilung der Investitionskosten sollte insbesondere die Betrachtung der TCO (Total Cost Of Ownership) über die gesamte Nutzungsdauer eines industriellen oder medizintechnischen Systems im Mittelpunkt stehen.

Vermeintlich günstige Batterietechnologien können sich unter bestimmten Anwendungsbedingungen bereits nach kurzer Einsatzdauer durch hohen Wartungsaufwand oder gar frühzeitigen Ausfall als Mehrkosten- und Unsicherheitsfaktor entpuppen. Hingegen kann ein durchdachtes und bedarfsgerechtes Konzept hinsichtlich der tatsächlich abzusichernden Komponenten die Gesamtkosten für das DC-USV-System deutlich senken, ohne das Risiko zu erhöhen.