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USV für Industrie 4.0

DC-USV-Systeme richtig auswählen

4. Juni 2019, 14:30 Uhr | Apostolos Baltos und Jochen Kessens, Bicker elektronik

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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Aufgaben des Batteriemanagements

Insbesondere beim Einsatz von Lithium-Ionen-Energiespeichern ist hinsichtlich der Optimierung von Lebensdauer und Sicherheit ein Batteriemanagement-System (BMS) zwingend notwendig. Dieses überwacht und steuert den kompletten Lade- und Entladevorgang jeder Akkuzelle des Energiespeichers (Bild 6).

Eine Kernaufgabe des BMS ist das sogenannte Cell-Balancing. Innerhalb eines Energiespeichers werden mehrere Einzelzellen in Reihe geschaltet, um die Nennspannung zu erhöhen. Aufgrund von Fertigungstoleranzen und unterschiedlich starker Alterung der Zellen unterscheiden sich diese in Kapazität und Innenwiderstand. Die Leistungsfähigkeit und Gesamtkapazität des Akkupacks richtet sich in diesem Fall nach der »schwächsten« Zelle in dieser »Kette«. Diese erreicht beim Laden als erste den Schwellwert für die Ladebegrenzung und verhindert somit, dass die restlichen Zellen vollständig aufgeladen werden (Bild 7).

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Das Cell-Balancing (aktiv oder passiv) gleicht diese Unterschiede zwischen den einzelnen Akkuzellen im Verbund durch entsprechende Beschaltung aus und sorgt dafür, dass alle Zellen ausgewogen und gleichmäßig geladen werden. Dadurch bleibt die volle Kapazität des Energiespeichers nutzbar, und die Zyklenzahl und die Lebensdauer steigen.

Mit dem Batterie-Relax-Modus greift Bicker Elektronik eine andere Problematik auf. In sehr vielen DC-USV-Systemen wird der Akkupack oft über sehr lange Zeit (etwa über Monate) auf Ladeschlussspannung an der Ladeschaltung betrieben, um jederzeit die volle USV-Bereitschaft zu gewährleisten. In einem solchen Fall nimmt die Lebensdauer der Zellen nach einigen Monaten jedoch stark ab. Um die Zellen zu schonen, ist es daher notwendig, nach einer definierten Zeit den Lade-MOSFET bei Ladeschluss zu deaktivieren. Der Entlade-Mosfet bleibt weiterhin aktiv, sodass sich der Energiespeicher jederzeit betriebsbereit ist.

Bei einem Stromausfall wird der zuvor deaktivierte Lade-MOSFET unmittelbar wieder zugeschaltet. Dadurch dauert der Stromfluss über die Body-Diode nur wenige Mikrosekunden an, und die Ladeschaltung kehrt in den regulären Betriebsmodus zurück. Da dieser Relax-Modus den Akkupack schont, lässt sich dessen Lebensdauer verlängern und die Systemverfügbarkeit erhöhen.

Bauformen und Einsatzgebiete von DC-USV-Systemen

Für die Implementierung von DC-USV-Systemen bieten sich entweder besonders kompakte Bauformen an, die alle Komponenten in einem Modul vereinen, oder modular aufgebaute Systeme. Beispielsweise kann das DC-USV-Modul der UPSIC-Serie mit Doppelschichtkondensatoren (Bild 8) mit einer Grundfläche von 135 mm × 79,5 mm direkt in kompakte Robotik- und Automatisierungssysteme integriert werden, um dort einzelne Aktoren oder Sensoren abzusichern, oder auch für Low-Power-Embedded-Computersysteme.

Bei größerem Energiebedarf, zum Beispiel in der Steuerungs-, Sicherheits- und Regeltechnik, bieten sich modulare und flexible DC-USV-Systeme mit separaten Energiespeichern an. Diese lassen sich bei Bedarf zu einem späteren Zeitpunkt gegen Energiespeicher höherer Kapazität oder mit alternativer Akkutechnologie austauschen. 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-Schienen-Versionen der Energiespeicher mit Aluminiumgehäuse und Schnellmontage-Halterung für die Hutschiene an.

Fazit

In Anbetracht der höchst unterschiedlichen Anforderungsprofile an eine DC-USV empfiehlt sich bei der Auswahl zunächst immer die individuelle Design-in-Beratung und applikationsspezifische Konzeption gemeinsam mit dem Stromversorgungshersteller. Neben einer flexibel einsetzbaren Steuerungs- und Ladeelektronik gilt es, einen passenden Energiespeicher hinsichtlich Zuverlässigkeit, Sicherheit, Lebensdauer, Leistungsfähigkeit und Kosten zu definieren.

Bei der Beurteilung der Investitionskosten sollte insbesondere eine Gesamtkostenanalyse über die gesamte Nutzungsdauer (Total Cost of Ownership) eines industriellen oder medizintechnischen Systems im Mittelpunkt stehen.

Vermeintlich günstige Akkutechnologien 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.