Hybrid-USV sorgt für die nötigen Ströme
Geringer Spannungseinbruch
Eine Gleichspannungs-USV-Anlage muss über eine lange Zeit eine sichere Stromversorgung zur Verfügung stellen, um Verbraucher in Bereichen von kritischen Infrastrukturen zu versorgen. Bei solchen Langzeitpufferungen tritt häufig das Problem auf, dass nach einer langen Entladezeit der Batterie mit einer sehr kleinen Belastung am Ende noch ein kurzzeitiger hoher Strom benötigt wird. Eine bereits stark entladene oder gealterte Batterie kann diesen Strom jedoch nicht mehr sicher liefern und bricht mit der Spannung zu tief ein. Eine neue Hybrid-USV kann hier Abhilfe schaffen und für die benötigten hohen Ströme sorgen.
Bild 1 | Hybrid-USV von J. Schneider Elektrotechnik
Bild 1 | Hybrid-USV von J. Schneider ElektrotechnikBild: J. Schneider Elektrotechnik GmbH

Grundsätzlich ist bei Langzeitpufferungen die Bleibatterie als Energieträger das Mittel der Wahl, solange es sich um reine Backup-Prozesse und nicht um eine zyklische Anwendung handelt. Wenn die Belastung der Batterie während des gesamten Pufferzeitraums konstant ist, lässt sich die benötigte Kapazität leicht berechnen. Problematisch wird es allerdings, wenn ein Alterungsfaktor und eventuelle Belastungen der Batterien durch hohe oder tiefe Temperaturen berücksichtigt werden müssen. Diese Faktoren beeinflussen die Kapazität der Batterien wesentlich. So benötigen wir zum Beispiel bei einer Grundlast von 1,5 A / 24 V für 8 Stunden Pufferzeit rein rechnerisch 2 Blöcke à 12 V / 12 Ah Batterien. Gehen wir von einem Alterungsfaktor der Batterie von 20%, so sind 2 Blöcke à 12 Volt / 17 Ah notwendig, um die acht Stunden Pufferzeit zu erreichen. Die Alterung einer Bleibatterie ist gekennzeichnet durch die Verringerung der Kapazität und der Erhöhung des Innenwiderstandes (kurz RI). Regelmäßige automatische Belastungstests können eine zuverlässige Funktion über lange Zeiträume gewährleisten. Die gängigen Batterien sind von den Herstellern nach EUROBAT (Verband der europäischen Hersteller von Automobil- und Industriebatterien) hinsichtlich ihrer kalendarischen Lebensdauer. So steht EUROBAT 5 für fünf Jahre Nutzung, EUROBAT 10 bis zehn Jahre Nutzung und EUROBAT 10+ für zehn bis zwölf Jahre Nutzung. Bei einem entsprechenden Ladegerät mit I/U Kennlinie, temperaturgeführter Ladung und geringer Welligkeit (um die Erwärmung des Akkus bei der Ladung bzw. Erhaltungsladung so gering wie möglich zu halten) ist diese Lebensdauer recht zuverlässig zu erreichen.

Belastungssprünge und Temperaturen als Stressfaktor für Batterien

Problematisch wird es allerdings, wenn zumindest zeitweise höhere Ströme benötigt werden. Dies kann der Fall sein, wenn beispielsweise Schalthandlungen oder Anlaufströme eines Motors über den Akkumulator getätigt werden. Die Problemstellung liegt hier insbesondere an der Erhöhung des Innenwiderstands (RI). Eine Erhöhung des RI erfolgt durch Alterung oder durch Entladung.

Erhöhung des RI durch Alterung: Mit zunehmender Lebensdauer erhöht sich der Innenwiderstand der Batterie. Dieser kann im Laufe der Jahre den dreifachen Wert des Neuzustandes erreichen. Bei hohen Temperaturen wird dieser Vorgang beschleunigt.

Erhöhung des RI durch Entladung: Je tiefer die Batterie bei einer Pufferung entladen wird, desto mehr erhöht sich der Innenwiderstand.

Bild 2 | Beispiel einer Messung mit einem Akkutec bei einer Einstellung max. RI 700 mOhm und einem gemessenen Wert von 585 mOhm
Bild 2 | Beispiel einer Messung mit einem Akkutec bei einer Einstellung max. RI 700 mOhm und einem gemessenen Wert von 585 mOhmBild: J. Schneider Elektrotechnik GmbH

Bei erhöhten Temperaturen beschleunigen sich die Alterungsprozesse erheblich. Als Faustformel kann hier angenommen werden, dass sich die kalendarische Lebensdauer eines Akkus, welche sich auf eine Umgebungstemperatur von ca. 20°C bezieht, je 10°C Temperaturerhöhung halbiert. Bei niedrigen Temperaturen (deutlich unter 20°C) nimmt die Geschwindigkeit der internen chemischen Prozesse deutlich ab, so dass die Batterie weder ihre volle Kapazität noch besonders hohe Entladeströme liefern kann.

Zuverlässige Funktion über langen Zeitraum

Es gibt natürlich die Möglichkeit, die rechnerisch benötigte Batteriekapazität zu überdimensionieren. Der genaue Überdimensionierungsfaktor ist jedoch schwer vorherzusagen. Aufgrund der Temperaturabhängigkeit könnte der Faktor 2 (30°C) oder der Faktor 4 (40°C) gewählt werden. So wäre es denkbar, an Stelle einer benötigen 17 Ah Batterie eine 40 Ah oder sogar eine 65 Ah Batterie einzusetzen. Nicht unter Kontrolle hat man damit das Problem der niedrigen Temperaturbereiche und die Erhöhung des Innenwiderstandes auf Grund der „normalen“ Alterung. Zu dem steigen die Anschaffungskosten und der Platzbedarf ohne eine zwingende Sicherheit zu bekommen, ob das System ordnungsgemäß dimensioniert ist. Gewöhnlich rechnet man bei der Kapazitätsberechnung mit einer Alterungsreserve von 20 bis 25 %. Alternativ ist es auch möglich, eine regelmäßige Wartung und Tests durchzuführen. Je mehr Kapazität jedoch eine Anlage hat, desto aufwendiger werden die Entladungstest mit entsprechenden Widerständen und RI-Messungen vor Ort an der Batterie. Dadurch steigen Zeitaufwand und Personalkosten. Eine Lösungsmöglichkeit für dieses Problem ist die Verwendung einer USV mit integrierter RI-Messung. Beim Einsatz von Brandmeldeanlagen ist dies nach EN 54-4 bereits Pflicht. Diese speziellen USV-Geräte messen regelmäßig den RI des angeschlossenen Systems und melden, wenn ein voreingestellter Grenzwert überschritten wurde. Hier wird sehr zuverlässig vorausgesagt, zu welchem Zeitpunkt eine Batterie spätestens ausgetauscht werden muss, um die nötige Sicherheit im Prozess zu haben.

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