Interview mit Apostolos Baltos

USV als Industrie-4.0-Komponente

9. November 2017, 12:00 Uhr | Ralf Higgelke

Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Auswahl der Batteriechemie und Berechnung der benötigten Kapazität

Wie finde ich die für meine Anwendung passende Batteriechemie? 

Dies ist recht kompliziert und hängt von mehreren Faktoren ab. Wichtig sind die gewünschte Überbrückungszeit und der Leistungsbedarf des Systems. Damit lässt sich unter Berücksichtigung der Verluste und Entladetiefen die benötigte Akkukapazität bestimmen. Als Nächstes spielt die Umgebungstemperatur eine Rolle. Manche Akkus eignen sich nicht für hohe oder niedrige Temperaturen. Wichtig ist auch die Lebensdauer. Eine günstige Lösung in der Anschaffung kann zu deutlich höheren Kosten in der Wartung und Instandhaltung auch über kurzfristige Zeiträume führen. Praktisch gesehen und unter Berücksichtigung der Aspekte Kosten, Lebensdauer und Formfaktor sind Supercaps für kurze Überbrückungszeiten und hohe Leistungen sehr gut geeignet. Für kurze bis mittlere Überbrückungszeiten im einstelligen Minutenbereich und mittlere Leistung bis 60 Watt erscheinen die Hybrid-Akkus nahezu ideal. Die Lithium-Eisenphosphat-Akkus, LiFePO4, können für die meisten Applikationen eingesetzt werden, solange die Umgebungstemperatur zwischen –20 und +55 Grad Celsius liegt. High-Power-Lithium-Ionen-Akkus weisen ähnliche Kennwerte wie Lithium-Eisenphosphat-Akkus auf, haben zwar eine höhere Energiedichte, aber eine kürzere Lebensdauer.

Sie bevorzugen Lithium-Eisenphosphat-Akkus als Speicher. Welche Vor- und Nachteile hat diese Batteriechemie gegenüber Lithium-Ionen- oder Bleiakkus? 

Um es klar zu sagen: Lithium-Eisenphosphat-Akkus gehören zur Familie der Lithium-Ionen-Akkus. Der Unterschied liegt im Kathodenmaterial, in diesem Fall Lithium-Eisenphosphat. Und genau dieses Material sowie eine spezielle Verarbeitung verleihen diesem Energiespeicher seine besonderen Eigenschaften.

Als wichtigster Vorteil gegenüber anderen Akkus sind die Sicherheit und die Lebensdauer zu nennen. Mit bis zu 3000 Lade- und Entladezyklen bei 80 Prozent Entladetiefe hat der Lithium-Eisenphosphat-Akku eine bis zu sechsmal höhere Lebensdauer gegenüber anderen Li-Ionen Akkus und eine bis zu zwanzigmal höhere Lebensdauer gegenüber herkömmlichen Bleiakkus.

Ein weiterer wichtiger Vorteil ist der hohe Ladestrom. Lithium-Eisenphosphat-Akkus können mit bis zu 5C geladen werden; dies wären bei einem 2,5-Amperestunden-Akku also fünfmal 2,5 Ampere, macht 12,5 Ampere. Dies erhöht den Bereitschaftsgrad des Speichers. Ein Nachteil der Lithium-Eisenphosphat-Akkus ist seine etwas niedrigere Energiedichte gegenüber anderen Lithium-Ionen-Akkus.

Es lassen sich aber auch Supercaps einsetzen. Was muss ich dabei beachten? 

Prinzipiell eignen sich Superkondensatoren als Kurzzeitspeicher für einige Sekunden bis wenige Minuten sehr gut. Sie haben den Vorteil, viel Strom liefern zu können, und sind schnell geladen. Darüber hinaus glänzen sie durch eine sehr hohe Lebensdauer und können über einen erweiterten Temperaturbereich arbeiten. Supercaps halten bei herkömmlichen Einsatztemperaturen acht bis zehn Jahre, Akkus muss man je nach Einsatz bereits nach zwei bis fünf Jahren tauschen. Dadurch können sich Supercaps letztlich gegenüber den günstigeren Akkus auf lange Sicht rechnen, zumal diese – anders als Akkus – wartungsfrei sind.

Andererseits macht die niedrige Energiedichte Superkondensatoren unwirtschaftlich für Anwendungen mit langen Überbrückungszeiten und gleichzeitig mittleren bis hohen Leistungen. Da sind Akkus besser geeignet.

Aus technischer Sicht ist natürlich zu beachten, dass die Spannung der Supercaps während des Entladens bis auf 0 Volt absinkt, während der Strom bei konstanter Leistungsentnahme steigt. Dies führt zum einen dazu, dass ein Wandler verwendet werden muss, um die Spannung am Ausgang konstant zu halten. Zum anderen kann nicht die ganze Energie aus dem Superkondensator effektiv genutzt werden, weil die Ströme zu groß werden und die Spannung am Ende stark abfällt. Ebenfalls von Nachteil ist ihre recht hohe Selbstentladung. 

Als dritte Speichertechnologie haben Sie noch von Hybrid-Akkus gesprochen. Können sie uns diese bitte etwas näher bringen? 

Dieser Akku ist als hybrider Akku ausgeführt. Dort sind die Elektroden alternierend aus zwei unterschiedlichen Materialien. Dieser Hybrid-Akku hat je nach Arbeitspunkt sogar eine höhere Lebenserwartung als Superkondensatoren sowie die Energiedichte, die zwischen einem Superkondensator und einem Lithium-Ionen-Akku liegt. Zudem weisen sie weder einen Memoryeffekt auf, noch benötigen sie ein BMS.

Aus meiner Sicht ist dies der bestmögliche Akku für Anwendungen im kleineren Leistungsbereich mit kleinen und mittleren Überbrückungszeiten. Der etwas niedrigere Entnahmestrom begrenzt hier die Leistung. 

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Die UPSi-xxxx kann sowohl mit klassischen Akkus als auch mit Supercaps arbeiten. Hier ist der Fall für sechs Supercaps und einer Ausgangsspannung von 24 V zu sehen.
© Bicker Elektronik

Wie berechne ich die benötigte Akku- beziehungsweise Kondensatorkapazität für meine Anwendung? 

Um die benötigte Akkukapazität zu berechnen, ist es sinnvoll, zu Beginn die Parameter des Systems bezüglich der Leistungsaufnahme zu erfassen. Wie schon angesprochen, sollte der Anwender genau darüber nachdenken, welche Teile seines Systems er mit der USV überbrücken muss und welche er abwerfen kann. Wir hatten das Beispiel des Monitors, auch eine Klimatisierung lässt sich meist ohne große Nachteile abwerfen. Eine solche Überlegung wirkt sich sehr stark auf die benötigte Größe einer USV-Lösung und damit auch auf die Kosten aus. Ist die mittlere Leistungsaufnahme ermittelt, muss die gewünschte Überbrückungszeit definiert werden.

Als nächstes ist die Leistung mit der Zeit zu multiplizieren. Wenn mein System mit 100 Watt für 80 Sekunden überbrückt werden soll, brauche ich eine nutzbare Akkukapazität von 8000 Wattsekunden oder 8000 Joule. Bei längeren Überbrückungszeiten erscheint die Berechnung in Wattstunden sinnvoll.

Wir setzten hier eigens programmierte Excel-Programme ein. Diese berücksichtigen auch Wirkungsgradverluste und niedrigere Spannungen aufgrund von Temperaturänderungen.

Nicht zu vergessen ist, dass Akkus unterschiedliche nutzbare Kapazitäten in Abhängigkeit vom Entladestrom und der Temperatur aufweisen können und auch altern. Somit sollte man nicht mit der nominalen Akkukapazität rechnen, sondern einen genaueren Blick ins Datenblatt werfen. 

Können Sie abschließend noch einmal zusammenfassen, was Ihre neue DC-USV gegenüber den bisherigen Lösungen von Bicker und von denen am Markt abhebt? 

Zum einen sind es die digitalen Features. Unsere UPSi erfasst sämtliche Ströme und Spannungen, die in einer analogen Stromversorgungslösung üblicherweise unbekannt sind. Diese Werte nebst Lebensdauererwartung des Akkupacks und Temperaturdaten kann unsere USV einem übergeordneten Rechner per USB, RS-232 oder I²C zur Verfügung stellen. Diese Messwerte kann der Anwender nutzen, um sein System zu überwachen. Damit ist unser System ein Baustein für Industrie 4.0.

Ein weiteres einzigartiges Feature ist die Akkustart-Funktion. Bei einem Systemausfall ist ja der Akku abgetrennt. Aber was, wenn der Anwender nun eine Diagnose fahren möchte? Bei unserer USV-Lösung hat er die Möglichkeit, über einen Taster den Akku wieder zu aktivieren und so sein System aus dem Akku heraus anzufahren. Oder: Der Anwender überlegt sich nach einem Jahr, doch auf Supercaps umzusteigen. Kein Problem mit unserer UPSi – sogar im laufenden Betrieb per Hot-Plugging. Und der Anwender muss nichts ändern. Er braucht auch keine neue Firmware aufzuspielen, denn die UPSi erkennt über I²C automatisch, welche Art von Energiespeicher angesteckt wurde, sowie dessen Kapazität.

Und nicht zuletzt der Preis: Durch die Wahl der Topologien und den Einsatz bidirektionaler Wandler kommen wir mit einem Minimum an Bauteilen aus. 

Herr Baltos, herzlichen Dank für das Gespräch. 

Das Interview führte Ralf Higgelke.


  1. USV als Industrie-4.0-Komponente
  2. Betriebsschema der DC-USV
  3. Auswahl der Batteriechemie und Berechnung der benötigten Kapazität

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