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Unterbrechungsfreie Stromversorgung

Nonstop Power für Medizin- und Labortechnik

18. Januar 2019, 15:00 Uhr | Apostolos Baltos und Jochen Kessens (Bicker)

Welche Batterietechnik für welche Anwendung? Das kommt nicht zuletzt auch auf die Umgebung an.

Stromausfälle, Flicker, Schwankungen oder Spannungseinbrüche der Stromversorgung können zu Problemen und Risiken führen, die es insbesondere in der Medizin- und Labortechnik zu vermeiden gilt. Welche Faktoren müssen Entwickler bei der Auswahl und Dimensionierung von DC-USV-Systemen beachten?

Für die unterbrechungsfreie Stromversorgung kommen immer öfter dezentrale und modulare DC-USV-Systeme zum Einsatz, welche direkt an den Geräten oder sogar in die Applikation integriert werden können. Im Gegensatz zu großen, zentralen USV-Einheiten sind diese kompakt ausgeführt und erreichen einen hohen Wirkungsgrad von bis zu 97 Prozent. Gerade bei der verteilten Systemarchitektur, aber auch bei autarken Systemen ist dieser dezentrale Ansatz unumgänglich. Die Anforderungen an eine DC-USV sind hierbei vielfältig und individuell. Nicht zuletzt soll eine derartige »Versicherung gegen Stromausfälle« möglichst kostengünstig, langlebig, wartungsfrei, flexibel und zuverlässig umgesetzt werden. Um diese Ziele optimal zu erreichen, bedarf es einer genauen Analyse der Applikation und detaillierter Kenntnisse der Vor- und Nachteile unterschiedlicher Batterietechnologien sowie einer gesamtheitlichen Betrachtung der TCO (Total Cost of Ownership).

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Im Wesentlichen sind folgende Energiespeicher für DC-USV-Systemen relevant: Supercaps (Ultrakondensatoren), konventionelle Lithium-Ionen-Zellen (LCO/NMC), Lithium-Eisen-Phosphat-Zellen (LiFePO4), Reinblei-Zinn-Batterien (Cyclon-Zellen) sowie klassische Blei-Gel-Batterien. In Bild 1 (Bildergalerie) sind zentrale Eigenschaften und Kriterien dieser Systeme im direkten Vergleich dargestellt. Für längere Überbrückungszeiten bietet sich die Lithium-Ionen-Technologie mit hoher Energiedichte an (Bild 2). Bei der Auswahl eines Li-Ionen-Energiespeichers für DC-USV-Systeme empfiehlt sich jedoch ein genauer Blick auf das Kathodenmaterial. Gerade bei Zellen mit chemisch und thermisch instabilem Kathodenmaterial wie Lithium-Kobalt-Oxid (LCO) oder Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid (NMC) kann es unter bestimmten Bedingungen zu zellinternen exothermischen chemische Reaktionen kommen, die letztlich in einem unkontrollierbaren »Thermal Runaway« enden. Mit Lithium-Eisen-Phosphat (LiFePO4) steht für das Kathodenmaterial eine wesentlich stabilere chemische Verbindung mit erhöhter Sicherheit und einer rund zehnfach höheren Zyklenfestigkeit zur Verfügung.

Einfluss der Betriebstemperatur

Besteht die Möglichkeit, DC-USV und Energiespeicher von der heißen Geräteumgebung zu separieren, so sind klassische Lithium-Ionen-Batterien eine gute Wahl, da sie aufgrund der hohen Energiedichte verhältnismäßig kostengünstig sind. Muss der Energiespeicher in einer wärmeren Umgebung beziehungsweise innerhalb des Systems platziert werden und damit höhere Einsatztemperaturen verkraften, eignen sich Lithium-Eisenphosphat-Batterien (LiFePO4) oder wartungsfreie Supercaps wesentlich besser. Im Gegensatz zu Batterien, die Energie über den Umweg einer chemischen Reaktion speichern, basieren letztere auf elektrophysikalischen Prinzipien und sind innerhalb kürzester Zeit geladen und einsatzbereit. Bei extrem niedrigen oder hohen Temperaturen und entsprechend großem Energiebedarf bieten sich schließlich Reinblei-Zinn-Zellen als besonders robuste und langlebige Energiespeicher an.

Generell gilt in diesem Zusammenhang die RGT-Regel (Reaktionsgeschwindigkeit-Temperatur-Regel), welche vereinfacht besagt, dass sich bei einer Temperaturerhöhung 10 K die Lebensdauer der Komponenten halbiert. Deshalb sollte der Analyse und Optimierung des Temperatur- und Wärmemanagements einer Applikation besonderes Augenmerk geschenkt werden, zumal dies nicht nur die Lebensdauer des Energiespeichers, sondern aller elektronischen Komponenten eines Endgerätes verlängert.

Applikationsspezifische Dimensionierung der DC-USV

Zunächst sollte im Rahmen der Dimensionierung eines DC-USV-Systems hinterfragt werden, welche Komponenten der Applikation bei einem Stromausfall tatsächlich abgesichert werden müssen. Beispielsweise kann in einem System der Anteil des Energiebedarfs für ein integriertes Display bei rund 40 Prozent liegen. Das heißt, wenn das Display bei einem Stromausfall nicht zwingend weiter betrieben werden muss, sondern lediglich die Steuer- und Regeleinheit, lassen sich bis zu 40 Prozent Batteriekapazität und somit Platz und Kosten einsparen. Zur Berechnung der benötigten Batteriekapazität in Wattsekunden (Ws) oder Joule (J) multipliziert man für den USV-Betrieb die mittlere Leistungsaufnahme (Watt) mit der gewünschten Überbrückungszeit (Sekunden).

Die tatsächlich benötigte Batteriekapazität liegt jedoch höher als der rein rechnerisch ermittelte nominale Wert, da Wirkungsgradverluste und niedrigere Spannungen aufgrund von Temperaturänderungen berücksichtigt werden müssen, sowie die Tatsache, dass Batteriezellen in Abhängigkeit vom Entladestrom und der Temperatur unterschiedlich nutzbare Kapazitäten aufweisen und letztlich auch altern. Zudem kann die auf den Zellen angegebene Batteriekapazität in der Regel nicht voll genutzt werden, da die Einhaltung der Grenzwerte für Überspannung (OV) und Unterspannung (UV) immer eine gewisse Restkapazität erfordert. Generell sollten immer auch Leistungsreserven eingeplant werden. Stromversorgungshersteller setzen hierfür eigens programmierte Berechnungstabellen und -formeln ein, um all diese Parameter und entsprechende Sicherheitspuffer bei der Kapazitätsberechnung zu berücksichtigen.

Neben der reinen Batterietechnik spielt auch die funktionale Ausstattung der Steuerungs- und Ladetechnik des DC-USV-Systems eine entscheidende Rolle. Bei modernen DC-USV-Systemen, zum Beispiel UPSI von Bicker Elektronik, leitet die Steuerungseinheit der USV im Normalbetrieb die DC-Eingangsspannung direkt an den Ausgang weiter und lädt parallel den Energiespeicher. Die Power-Sharing-Funktion sorgt dafür, dass die vorgeschaltete AC/DC-Stromversorgung nicht überdimensioniert werden muss, sondern die Eingangsleistung konstant gehalten und entsprechend angepasst auf Last und Lader verteilt wird. Das heißt, bei geringer Last am Ausgang fließt mehr Energie in den Lader und umgekehrt. Gleichzeitig misst und überwacht das DC-USV-System alle relevanten Parameter, Ströme und Spannungen. Unterschreitet die Eingangsspannung den unteren Schwellwert aufgrund starker Spannungsschwankungen oder eines kompletten Stromausfalls, trennt ein MOSFET den Eingang ab und der DC-Ausgang beziehungsweise die angeschlossene Last wird aus dem Energiespeicher heraus versorgt. Der Wechsel vom Netz- in den Backup-USV-Betrieb erfolgt innerhalb weniger Mikrosekunden. Für den Lade- und Entladeprozess wurde beim UPSI-System ein bidirektionaler Wandler (Buck-Boost) als zentrales Element implementiert (Bild 3). Dadurch ist es möglich, Bauteile und Kosten einzusparen, sowie gleichzeitig einen effizienten und sicheren Betrieb zu gewährleisten.