—USV HANDBUCH - BAT TERIEN

USV-BatteriesystemeLeistungsschutz für diekritische Infrastruktur

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—USV Batteriesysteme

Eine sichere Stromversorgung ist die Basis für Erfolg und Kontinuität in Unternehmen, egal ob es sich um Industrieanlagen, Büros, Gesund-heitseinrichtungen, Versorgungsunternehmen oder Rechenzentren handelt. Für einige dieser Firmen können Stromausfälle sogar extrem teuer werden und Kosten in zweistelliger Millio-nenhöhe verursachen. Deshalb installieren viele Unternehmen eine unterbrechungsfreie Strom-versorgung (USV).

Ein wichtiger Teil der USV ist die Batterie. Diese lie-fert die Energie, die benötigt wird, um eine unter-brechungsfreie Versorgung für den kritischen Pro-zess sicherzustellen Parameter, die bei der richtigen Auswahl von Batteriesystemen berück-sichtigt werden müssen, sind gewünschte Leis-tungsaufnahme und Überbrückungszeit, Wechsel-richtereffizienz, Entladeschlussspannung und verfügbare Ladespannung. Diese und weitere Fak-toren müssen auch bei der Auswahl und Konfigura-tion eines USV-Batteriesystems angesetzt werden.

In diesem Handbuch werden die wichtigsten Eigenschaften von USV-Batteriesystemen beschrieben. Der Schwerpunkt liegt auf der Blei-Säure-Batterie, da diese besonders weit verbreitet ist.

Weitere Informationen sind internationalen Normen zu entnehmen, die vom Europäischen Komitee für elektrotechnische Normung freigegeben wurden, wie beispielsweise die „BS EN 50272-2:2001– Sicherheitsanforderungen an Batterien und Bat-terieanlagen. Stationäre Batterien“.

—01 Der Lebensnerv von Finanzinstituten ist eine zuverlässige und leistungsstarke Stromversorgung. Deshalb installieren Unternehmen eine USV. In einer USV ist die Batterie der anfälligste Teil des Systems.

—01

3

In USV-Anwendungen werden viele unterschiedli-che Batterietypen verwendet. Die Technologie der Blei-Säure-Batterien ist allerdings aktuell die am häufigsten eingesetzte. Unter bestimmten Umständen und bei speziellen Anforderungen wer-den in manchen Fällen Nickel-Cadmium- oder Lithi-um-Ionen-Batterien verwendet. Die Lithium-Io-nen-Technologie befindet sich gerade auf einem rasanten Wachstumskurs. Sie wird dort benötigt, wo eine hohe Energiedichte und ein niedriges Gewicht zu den wichtigsten Kriterien gehören.

Blei-Säure-BatterienDie Blei-Säure-Batterie ist die wirtschaftlichste Lösung bei Anwendungen mit höherer Leistung, wenn das Gewicht keine oder nur eine unterge-ordnete Rolle spielt. In den meisten USV-Syste-men werden Blei-Säure-Batterien verwendet, da sie äußerst leistungsstark und leistungseffizient sind, einen niedrigen Innenwiderstand haben, sehr duldsam auf unsachgemäße Behandlung reagieren und ihr Einkaufspreis günstig ist.

In Blei-Säure-Batterien wird ein Elektrolyt aus Was-ser und Schwefelsäure verwendet. Die Platten sind aus Blei (negative Elektrode) und Bleioxid (positiv). Die beiden gängigsten Blei-Säure-Batterien sind:• VRLA (ventilregulierte Bleisäure), auch bekannt

als „verschlossen“ oder „wartungsfrei“ und mit flüssigem Elektrolyt, auch als „geschlossen“ oder „wartungsarm“ (bzw. „offen“) bezeichnet.

VRLA-BatterienVRLA-Batterie sind verschlossen und können in jeder Ausrichtung montiert werden. Das Batteriege-häuse ist mit einem Ventil zur Entlüftung bei mögli-cher Gasbildung ausgerüstet. Gasbildung ist norma-lerweise ein seltenes Ereignis, das beispielsweise auftreten kann, wenn die Batterie einer hohen Ladungsrate oder einer schnellen Entladung ausge-setzt ist. Bei VRLA-Batterien ist in aller Regel keine Wartung erforderlich. Sie müssen nicht mit Wasser aufgefüllt werden, da während der Ladung eventuell freigesetzter Wasserstoff intern wieder mit Sauer-stoff zu Wasser rekombiniert. Es gibt zwei Haupt-VRLA-Typen, die sich nach ihrer Elektrolytzusam-mensetzung unterscheiden:

• Absorbent Glas Mat (AGM): Dabei ist der Elekt-rolyt in einem mikroporösen Separator aus Glasfaservlies gebunden.

• Gel: hier wird durch Zusatz von Kieselsäure der Elektrolyt zum Gel gebunden

Bei USV-Anwendungen werden aufgrund des niedri-gen Innenwiderstands, der hohen spezifischen Leis-tung und Effizienz, der niedrigen Selbstentladung und des niedrigeren Einkaufspreises normalerweise VRLA-AGM-Akkumulatoren verwendet. AGM-Batte-rien werden schneller aufgeladen und können hohe Ströme von kurzer Dauer liefern.

—Batterien in USV-Systemen

B AT TER I EN I N US V-S Y S TEM EN

Positive Klemme

ABS Deckel

Flachstecker negativ

Flachstecker positiv

ABS Batteriegehäuse

Negative Platte

Tragegriff

Lüftungsstreifen für Ventile

Negative Klemme

Positive Platte

Abstandhalter

—01

—01 Innen- und außenliegende Komponenten einer ventilgesteuerten Blei-Säure-Batterie (VRLA)

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NassbatterienHier sind die Bleiplatten von flüssigem Elektrolyt umgeben. Da sie nicht verschlossen sind, ent-weicht während des Betriebs erzeugter Wasser-stoff direkt in die Umgebung. Aus diesem Grunde wird an die Be- und Entlüftung eine höhere Anfor-derung gestellt, im Vergleich zu verschlossenen Batterien. Normalerweise werden die Batteriean-lagen in einem speziellen Raum aufgestellt. In der EN 50272 Teil2 werden die Anforderungen an einen Batterieraum aufgeführt. Nassbatterien müssen vertikal aufgestellt und betrieben und mit destilliertem Wasser aufgefüllt werden. Sie haben eine längere Gebrauchsdauer und sind zuverlässi-ger als verschlossene Batterien.

Nickel–cadmium batteriesDie Elektroden von Nickel–Cadmium-Batterien (NiCd) bestehen aus Nickelhydroxid (positive Platte) und Cadmiumhydroxid (negative Platte). Als Elektrolyt dient Kalilauge. NiCd-Batterien haben eine sehr lange Lebensdauer (bis zu 20 Jah-ren) und sind unempfindlich in Bezug auf extreme Temperaturen (-20 °C bis +40 °C). Auch ihre Zyk-luslebensdauer ist hoch und sie sind relativ unempfindlich in Bezug auf Tiefentladungen. Allerdings kosten NiCd-Batterien deutlich mehr als herkömmliche VRLA-Äquivalente.

—01 In diesen Grafiken wird eine NiCd-Batterie mit verschiedenen Blei-Säure-Batterietypen verglichen. Die Zusammensetzung des aktiven Materials unterscheidet sich je nach Hersteller. Daher kann auch die Leistung von Fall zu Fall unterschiedlich sein.

Nickel-Cadmium-Batterie Blei-Säure, AGM-Batterie

Blei-Säure, Gel-Batterie Blei-Säure, Nassbatterie

Lebensdauer

Zyklusle-bensdauer

Instand-haltung

Preis je System

Lagerung

Energiedichte

Lebensdauer

Zyklusle-bensdauer

Instand-haltung

Preis je System

Lagerung

Energiedichte

Lebensdauer

Zyklusle-bensdauer

Instand-haltung

Preis je System

Lagerung

Energiedichte

Lebensdauer

Zyklusle-bensdauer

Instand-haltung

Preis je System

Lagerung

Energiedichte

—01

5

Ein weiterer Vorteil ist der niedrige Innenwider-stand, durch den eine hohe Dichte und schnelles Laden ermöglich wird. NiCd-Batterien können sehr lange gelagert werden, insbesondere wenn sie vollständig entladen sind. Sie bieten außer-dem einen hohen Schutz bei unsachgemäßer Behandlung, wie beispielsweise Überladung, Tie-fenentladung und bei hohen Rippelladeströmen.

Allerdings sind die Batterieentsorgung bzw. das Recycling teuer, da sowohl Nickel als auch Cad-mium giftig sind. NiCd-Batterien müssen auch durch Auffüllen von destilliertem Wasser gewar-tet werden und zwar besonders bei Anwendun-gen mit hohen Zyklen und bei den Starkladungs-raten einiger Lademethoden.

B AT TER I EN I N US V-S Y S TEM EN

Negative Plattengruppe

Abstandhalter

Negative Platte

Negatives Flachgitter

Positives Stabgitter

Plattengruppe

Positive Plattengruppe

Positive Platte

Trennplatte

Flammendurchschlagsicherung

Batterieklemme

Negativ-Plattentab

Positiv-Plattentab

Plattenrahmen

Trenngitter

Zellengehäuse

Blindplatte

—01 Innen- und außenliegende Komponenten einer Nassbatterie—02 Innen- und außenliegende Komponenten einer Nickel-Cadmium-Batterie

—01

—02

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Lithium-Ionen-BatterienIn einer Lithium-Ionen-Batterie (LIB) besteht die „Kathode“ normalerweise aus Metalloxid und die Anode aus porösem Kohlegraphit. Beide sind in einen flüssigen Elektrolyten aus Lithiumsalz und organischem Lösungsmittel eingetaucht. Bei der Entladung fließen die Ionen über den Elektrolyten und den Separator von der Anode zur Kathode; durch das Laden wird die Richtung umgekehrt und die Ionen fließen von der Kathode zur Anode.

Eine geläufige Methode, die Hauptunterschiede bei Lithium-Ionen-Batterien festzustellen, ist die Kathodenzusammensetzung zu berücksichtigen. Die Wahl der Batterie hängt von verschiedenen Faktoren ab. Dazu gehören Zellenspannung, Kapazität, Energie- und Leistungsfunktionen, Zykluslebensdauer und Betriebstemperatur.

Es gibt unterschiedlichste LIB-Chemikalien, die auf Basis der Zusammensetzung des Kathodenmaterials (Elemente 1 bis 5) oder des Anodenmaterials (Element 6) auf sechs Haupttypen heruntergebrochen werden können:

1. Lithium-Kobalt-Oxid (LCO)2. Lithium-Mangan-Oxid (LMO)3. Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid (NMC)4. Lithiumeisenphosphat (LFP)5. Nickel-Kobalt-Aluminium (NCA)6. Lithium-Titan-Oxid (LTO)

Diese verschiedenen Familien präzise zu vergleichen ist nicht möglich, da neben der Technologie viele andere Faktoren eine wichtige Rolle bei der Leistung spielen, wie beispielsweise das mechanische Gehäuse, die Zellengröße und die Mischung des aktiven Materials. Verschiedene Batteriehersteller kombinieren außerdem Technologien, um die Leistung für eine spezifische Anwendung zu erhöhen.

—01 Verschiedene Lithium-Ionen- Batterietypen

LCO NCA NMC

LMO LFP LTO

Leistung

LebensdauerSicherheit

Kosten

Energie

Leistung

LebensdauerSicherheit

Kosten

Energie

Leistung

LebensdauerSicherheit

Kosten

Energie

Leistung

LebensdauerSicherheit

Kosten

Energie

Leistung

LebensdauerSicherheit

Kosten

Energie

Leistung

LebensdauerSicherheit

Kosten

Energie

—01

7

Die Nominalkapazität (KN) einer Batterie ist die garantierte Kapazität bei der Entladung über einen spezifizierten Entladestrom (IN) über einen bestimmten Zeitraum (Nominal-Entladedauer, tN) und bei Nominal-Temperatur, Nominal-Dichte und Nominal-Elektrolytstand. Dabei darf das Erreichen der Entladeschlussspannung (UsN) nicht fehlschla-gen! Die Nominal-Batteriekapazität kann daher fol-gendermaßen ausgedrückt werden: KN = IN × tN.

Die Nominalkapazitätswerte (in Amperestunden), die von Batterieherstellern eingestellt werden, beziehen sich typischerweise auf eine Zehnstun-denentladung (C/10) einer Bleibatterie und eine Fünfstundenentladung (C/5) einer NiCd-Batterie. In USV-Systemanwendungen ist aufgrund einer kürzeren Entladedauer die extrahierbare Kapazi-tät erheblich niedriger als die Nominalkapazität. Die in der spezifizierten Überbrückungszeit erfor-derliche Leistungskapazität ist einer der wich-tigsten Faktoren bei der Batterieauslegung.

—Batteriekapazität und C-Rate

Die für USV-Anwendungen am häufigsten verwendeten Chemikalien sind aufgrund ihrer langen Lebensdauer, ihrer hohen Leistungsdichte und weil sie sehr sicher sind: LMO-NMC und LFP.

Bei der von ABB bevorzugten Batterietechnolo-gielösung handelt es sich um eine LIB-Stand-chranklösung mit einer speziellen Kombination aus Lithium-Mangan-Oxid und Nickel-Man-gan-Kobalt und einer über mehrere Minuten mög-lichen kontinuierlichen Leistung von 200 Kilowatt.

Im nächsten Teil dieses Handbuchs geht es haupt-sächlich um herkömmliche VRLA-Batterien, da diese in USV-Anwendungen am häufigsten vorkommen.

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Die Batterieauslegung basiert normalerweise auf zwei Hauptanforderungen: Leistung und Überbrückungszeit. Der zu berücksichtigende Wert der Leistung ist derjenige, der von den Bat-terien abgegeben wird. Die Berechnung der benötigten Batterieanlage erfolgt unter Berück-sichtigung der Nennleistung der zu versorgen-den Last und der Wechselrichtereffizienz.

Pbat_aus_ = (PLast × cosPhi )/USVEffizienz

Es gibt zwei Hauptmethoden für eine korrekte Batterieauslegung. Eine Option wäre, Batterie-leistungsblätter zu Rate zu ziehen, auf denen Details zu Überbrückungszeitwerten bei unter-schiedlichen, konstanten Kennwerten von Leis-tung/Stromentladung im Vergleich zu Grenzwer-ten bei Temperatur und Abschaltspannung angegeben werden. Die andere Option ist, das Batterie-Konfigurationstool von ABB oder die auf den Webseiten der Hersteller verfügbaren Onli-ne-Konfigurationstools zu verwenden. Es ist wichtig sicherzustellen, dass bei jedem einzelnen System nur ein Batteriemodell verwendet wird und dass es niemals mehr als vier bis fünf parallel geschaltete Stränge pro System gibt. (Je weniger Batteriestränge verwendet werden, umso gerin-ger ist die Gefahr von nicht gewollten Ausgleich-strömen zwischen den Strängen)

Die wichtigsten Kriterien bei der Batteriewahl, die sorgfältig abgewogen werden müssen, sind:• Lebensdauer der Batterie• Leistung zu Beginn und am Ende der

Lebensdauer (BOL oder EOL)• Betriebstemperatur• Entladungstiefe• Abschaltspannung• Ladezeit

BetriebstemperaturDie Betriebstemperatur hat eine starke Auswir-kung auf Lebensdauer und Leistung der Batterie. Alle großen Hersteller empfehlen für ihre Batterien eine Betriebstemperatur zwischen 20 und 25 °C.

Bei höheren Temperaturwerten wird die Batterie-leistung erhöht, aber die Lebensdauer der Batte-rie reduziert sich. Gemäß Arrhenius-Gesetz hal-biert sich die Lebensdauer der Batterie jedes Mal, wenn der oben angegebene Temperaturbereich von 20 bis 25 °C um 10 °C erhöht wird.

Batteriehersteller bieten Batterieleistungsblätter für die einzelnen Betriebstemperaturen an.

—Batterieauslegung

—01 Auswirkung der Betriebstemperatur auf die Batterielebensdauer

20

Leb

ensd

auer

(Ja

hre)

ASehr lange Lebensdauer: über 12 Jahre

BLange Lebensdauer: 10-12 Jahre

CAllgemeine Anwendungen: 6-9 Jahre

DStandard, Gewerbe: 3-5 Jahre

25 30 35 40 45 50 55 60

2

4

6

8

10

12

Temperatur (C°)

0

A

B

C

D

—01

9

Lebensdauer der BatterieEs sollte ein Batterietyp gewählt werden, der die für das Projekt benötigte Lebensdauer besitzt. Alle Produkte der großen Batteriehersteller wer-den nach Lebensdauer kategorisiert. Eurobat zeichnet ein klares Bild der vier Hauptkategorien:

• Standard, Gewerbe: 3-5 Jahre• Allgemeine Anwendungen: 6-9 Jahre• Lange Lebensdauer: 10-12 Jahre• Sehr lange Lebensdauer: über 12 JahreDieses sind unter Laborbedingungen ermittelte Werte, um eine Vergleichbarkeit der Batterien zu erreichen.

Die Lebensdauer der Batterie hängt von verschie-denen Faktoren ab, und die tatsächliche Lebens-dauer kann sich deutlich von der ursprünglichen vom Hersteller angegebenen EUROBAT Definition unterscheiden. In den meisten Fällen (z. B. wenn die Temperatur über einen längeren Zeitraum über der Nominaltemperatur liegt) erreicht sie 50-70% der EUROBAT Angaben.

Leistung zu Beginn und am Ende der Lebensdauer Aufgrund von Kundenspezifikationen kann ein spezifisches Leistungsniveau zu Beginn der Lebensdauer (BOL) und am Ende der Lebens-dauer (EOL) der Batterien erforderlich sein (z. B. Leistung und Überbrückungszeit). Die Batte-rieauslegung muss einen Überdimensionierungs-faktor enthalten (typischerweise 125 Prozent gemäß IEEE485), sodass Alterung im Falle einer EOL-Anforderung berücksichtigt wird.

Entladungstiefe (DOD)Batterien können vollständig oder teilweise entladen werden. Je weniger die Batterie pro Zyklus entladen wird (Ladungszustand), desto niedriger die Anzahl der Zyklen der Batterie während ihrer gesamten Lebensdauer.

Die Anzahl der Zyklen ist bei USV-Systemen nor-malerweise nicht so sachdienlich, da hier die Bat-terien nur einige wenige Male im Jahr verwendet werden. In manchen Fällen und für bestimmte Länder kann dieser Faktor eventuell eine größere Relevanz haben. Auf der folgenden Kurve wird typisches Entladungs-/Lebensdauerverhalten für VRLA-Batterien in USV-Anwendungen dargestellt.

B AT TER I E AUSL EG U N G

0

Kap

azit

ät (

%)

AEntladungstiefe 100%

BEntladungstiefe 50%

CEntladungstiefe 30%

Umgebungstemperatur 25°C (77°F)

200 400 600 800 1000 1200 1400

20

40

60

80

100

120

140

Anzahl der Zyklen (Zeiten)

A B C

—01 Diagramm Zykluslebensdauer

—01

10 A B B U P S S YS TE M S B AT TER I EN

0.02C

0.04C

0.06C

0.08C

0.10C

0C

BLade- Strom (A)

40

60

80

100

120

20

ALade-Volumen (%)

Entladeschluss-SpannungJe niedriger die Entladeschluss-Spg. ist, desto höher ist die Leistungsabgabe einer Batterie. Alle Batteriehersteller geben die Batterieleistung in Bezug auf den Grenzwert der Entladeschluss-Spannung an.

Bei der Auslegung eines Batteriesystems ist es wichtig, die Mindest-Entladeschluss-Spg. pro Zelle zu berücksichtigen (z. B. 1,65 V pro Zelle, 1,7 V pro Zelle usw.). Normalerweise werden über die Projektspezifikationen die Anforderung an diesen Wert angegeben. Es ist auch sehr wichtig zu prüfen, ob der Spannungsbereich der Gleich-strombatterie der gewählten USV mit der berech-neten Anzahl an Batterieblöcken kompatibel ist.

Wenn Batterien unter ihre Entladeschluss-Spannung entladen werden, gelten sie als tiefentladen. In diesem Fall steigt der Innenwiderstand aufgrund von Platten-Sulfatierung und sowohl Kapazität als auch Lebensdauer werden erheblich reduziert.

Ladezeit Die Ladezeit hängt von der Maximalleistung ab, die eine Batterie ohne Gefährdung ihrer Lebens-dauer aufnehmen kann.

Bei Blei-Säure-Batterien sind Ladeleistung und Spannung normal ausgelegt und liefern eine maximale Stromstärke von C/10 (Laderate in Ampere von einem Zehntel der Batteriegesamtka-pazität in Amperestunden) bei einer konstant bleibenden Stromstärke Spannungslademethode. In manchen Fällen, wenn lange Überbrückungszei-ten benötigt werden, ist es auch sehr wichtig zu prüfen, ob die Ladeleistung der USV ausreicht, ein ordnungsgemäßes Laden der Batterie innerhalb der erforderlichen Zeit sicherzustellen.

Die Gleichstrom-Ladespannung muss Rippelfrei (kein Wechselspannungsanteil ) sein, da ansons-ten die Lebensdauer der Batterie erheblich beein-trächtig sein kann. Diese Spannung muss auch innerhalb des für die entsprechende Batterie fest-gelegten Bereichs bleiben: Bei einer höheren Ladespannung steigt der Innendruck in der Batte-rie. Das Ventil wird durch diesen Druck geöffnet, sodass Gas entweichen kann. Aufgrund einer sol-chen Überladung kommt es zu Korrosion an der positiven Platte, und die Lebensdauer der Batte-rie wird verkürzt.

—01

0

Lad

epar

amet

er

4 8 12 16 20 24 28 32 36

2.0

2.1

2.2

2.3

2.4

Ladezeit (Stunden)

0

CLade- Spannung (V/Zelle)

C

A

B

0.1CA-2,25 V/Zelle, Temperatur 25 °C

—01 Nassladung bei konstanter Spannung

AC

B

11H AU P T U R S ACH E FÜ R AUSFÄ L L E

Der Grund für 50 bis 70 Prozent der USV-Ausfälle ist ein Batterieausfall. Außer Kurzschlüssen gibt es drei Hauptmechanismen (ausgenommen Kurzschlüsse innen und außen), die zu einer kürzeren Lebensdauer und einer geringeren Leistung der VRLA-Batterie führen:

PlattenkorrosionPlattenkorrosion ist normalerweise das Ergebnis von Oxygenierung der positiven Platte. Dadurch wird die Menge aktiven Materials, das an chemi-schen Reaktionen partizipieren kann, reduziert, was zu einer Verkürzung der Lebensdauer und einer Leistungsminderung der Batterie führt. Die-ser Faktor ist unvermeidbar. Eine Batterie, die auf-grund dieses Ausfallmodus das Ende der Lebens-dauer erreicht hat, hat ihre erwartete Lebensdauer erreicht oder überschritten. Die Begrenzung der Entladungstiefe, das Reduzieren der Anzahl Zyklen, der Betrieb bei moderaten Temperaturen und die Steuerung von Überladung gehören zu den vorbeu-genden Maßnahmen, mithilfe derer die Plattenkor-rosion unter Kontrolle gehalten werden kann.

Austrocknen„Austrocknen“ bedeutet ein Abfall der Elektrolytmenge, wodurch Lebensdauer und Leistung der Batterie erheblich beeinträchtigt werden. Die wichtigsten Gründe für ein Austrocknen der Batterie sind extreme Temperaturen und Überladung. Mit einer höheren

Ladespannung oder einem höheren Ladestrom reicht die innere Rate der Gas-Rekombinierung nicht aus, die großen Mengen an erzeugtem Wasserstoff und Sauerstoff zu kompensieren. Dies führt zu einem Innenüberdruck und zum Öffnen des Entlastungsventils. In einer VRLA kann der an die Umgebung abgegebene Elektrolyt nicht zurückgewonnen werden, was sich äußerst negativ auf Leistung und Lebensdauer der Batterie auswirkt. Im schlimmsten Fall führt es zu einem thermischen Durchgehen oder gar einem Brand oder einer Explosion.

SulfatierungWenn in normalen chemischen Reaktionen eine VRLA entladen wird, lagern sich Bleisulfatkristalle an den Platten ab. Im Lademodus werden sie wie-der in aktive Materialien umgewandelt. Wenn Bat-terien leer bleiben und über einen bestimmten Zeitraum nur teilweise geladen werden, härten diese Bleisulfatkristalle aus, und es ist nicht mehr möglich, sie während des Ladens wieder in Blei oder Bleioxid umzuwandeln. Dieses beeinträch-tigt in erheblichem Maße die Leistung, Lebens-dauer und Kapazität der Batterie. Es ist also wich-tig, die Batterien nach jeder Entladung vollständig aufzuladen und die Herstelleranwei-sungen in Bezug auf die korrekte Einstellung der Ladespannung zu befolgen, da eine Ladespan-nung, die nur geringfügig unter der angegeben liegt, zu diesem Problem führen kann.

—Hauptursache für Ausfälle

12 A B B U P S S YS TE M S B AT TER I EN

0

Kap

azit

ätse

rhal

tung

sver

hält

nis

%

Es ist kein zusätzliches Laden erforderlich. Führen Sie vor der Verwendung eine zusätzliche Ladung durch, wenn eine Kapazität von 100 % erforderlich ist.

Ein Nachladen ist vor der Verwendung erforderlich. Diese zusätzliche Ladung trägt zur Wiederherstellung der Kapazität bei und sollte so früh wie möglich durchgeführt werden.

Ein Nachladen führt häufig nicht dazu, dass die Kapazität wiederhergestellt wird.

40°C(104°F)

30°C(86°F)

25°C(77°F)

5°C(41°F)

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

40

50

60

70

80

90

100

Lagerzeitraum (Monate)

VRLA-Batterien entladen sich selbst. Daher sinkt ihre verfügbare Kapazität auch dann, wenn sie nicht in Betrieb sind. VRLA-Batterien müssen vollständig aufgeladen und in ihrer Originalver-packung und an einem trockenen, sauberen und gut belüfteten Ort gelagert werden. An den Gehäusen dürfen keine Säurespuren erkennbar sein. Stapeln Sie verschiedene Paletten oder Batterien nicht übereinander, außer der Herstel-ler gibt dies so an.

Grundsätzlich sind Nassbatterien auf einem flüs-sigkeitsdichten Boden mit Säureauffangwannen zu lagern. Bei VRLA-Zellen/-Blöcken ist eine Säu-reauffangwanne nicht erforderlich. Batterien müssen gut vor Metallteilen geschützt werden, da diese zu Kurzschlüssen führen können, und sie sind gegen versehentliche Beschädigung und her-unterfallende Gegenstände zu schützen.

Während der Lagerung müssen Batterien korrekt gehandhabt werden. Wenn das Produktionsda-tum schon etwas älter oder nach der letzten Ladung ein gewisser Zeitraum verstrichen ist, muss die Batterie gemäß Herstelleranweisungen wieder geladen werden. Dieser Zeitraum hängt von Faktoren wie Lagertemperatur, Batteriemo-dell u. a. ab. Durch höhere Umgebungstemperatu-ren verkürzt sich das zulässige Ladeintervall. Aus diesem Grund sollten die Empfehlungen für das spezifische Batteriemodell stets befolgt werden. Eine gängige Maßnahme ist auch, die Leerlauf-spannung der Batterie zu messen und den Lade-prozess in den Fällen zu verschieben, in denen Messergebnisse höher als die Grenzwerte sind.

—01 Kapazitätserhal-tungskennfeld

—Lagerung

—01

13WA RT U N G U N D B AT TER I EÜ B ER WACH U N G

VRLA-Batterien müssen nicht wie Nassbatterien mit Wasser aufgefüllt werden. Allerdings sind die nachfolgend geschilderten Schritte wichtig, um eine längere Lebensdauer und eine stabile Leistung der Batterie sicherzustellen:

• Kontrollieren Sie Spannung und Temperatur der Batterie und prüfen Sie, ob alle Verbindungen frei von Staub (verwenden Sie niemals Lösungs-mittel; ein feuchtes Tuch ist ausreichend), Korro-sion und Leckagen sind. Kontrollieren Sie, ob die Lüftung funktioniert und ob alle Verbindungen dicht und korrekt befestigt sind. Diese letzte Kontrolle kann auch mit einem thermischen Scan hinsichtlich mangelhafter Verbindungen, die häufig zu Hotspots werden, durchgeführt wer-den, während die Batterien in Betrieb sind.

• Führen Sie mindestens einmal im Jahr einen Batterie-Entladungstest durch, um den Innen-widerstand der Batterie und die verfügbare Kapazität an allen verbundenen Blöcken zu beurteilen. Dieser spezifische Test muss vom Kunden zugelassen und bestätigt werden, da die Last während der Durchführung dieses Tests möglicherweise nicht vollständig abge-deckt wird. Zur Vereinfachung dieses Tests hat ABB das AKKA-Diagnosetool entwickelt. Dieses bietet für die zu messenden Verbindungen und Erfassungssysteme die wichtigsten Batteriepa-rameter und erkennt schwache Batterien, die möglicherweise ausgetauscht werden müssen.

Alle beschädigten Batterien müssen durch Modelle mit ähnlichem Innenwiderstand ersetzt werden. Normalerweise ist dies je nach Batterie-typ in den ersten zwei bis drei Jahren möglich. Danach sollte die Batterie durch eine mit einem ähnlichen Alter ersetzt werden. Wenn diese älte-ren Ersatzteile nicht verfügbar sind und die USV nicht mit einer reduzierten Anzahl Batterien pro Strang betrieben werden kann, muss der gesamte Batteriestrang ersetzt werden.

Um den Aufwand für die erforderlichen Wartungs-arbeiten zu senken, kann ein Batterieüberwa-chungssystem verwendet werden. Viele Systeme sind bereits erhältlich und werden im Feld in USV-Anwendungen von ABB genutzt. Diese Tools überwachen kontinuierlich Batterieparameter wie Spannung, Stromstärke, Temperatur und Innenwi-derstand und stellen Warnmeldungen und War-nungen in Echtzeit bereit. Sie bieten außerdem vollständige Datenerfassungspakete und Tools für korrekte Analysen und Metriken. Diese Sys-teme bieten normalerweise auch Funktionen zur Kontrolle von thermischem Durchgehen und zur Fernüberwachung und in manchen Fällen sogar einen aktiven Ausgleich zwischen Batterien. Die CAPEX-Kosten für diese Systeme sind hoch, aber sie bieten im Vergleich zu den nachstehend beschriebenen Funktionen vor allem einen sehr wichtigen Vorteil: Sie warnen im Voraus, welche Batterie ausfallen wird. So kann sie unverzüglich und ohne Ausfallzeiten ersetzt werden.

—Wartung und Batterieüberwachung

14 A B B U P S S YS TE M S B AT TER I EN

Unabhängig davon, ob sie verschlossen sind oder nicht, können alle Blei-Säure-Batterien insbeson-dere beim Laden explosive Gase ausstoßen. So ist eine adäquate Belüftung unerlässlich (Wasser-stoffgas, das während des Ladevorgangs freige-setzt wird, ist bei Konzentrationen über 4 Prozent explosiv). Auch Wasserstoff- und Sauerstoffgase können freigesetzt werden, beispielsweise, wenn die Batterie verschoben oder geschüttelt wird.

Um Gase zu verdünnen (Wasserstoff und Sauer-stoff), die während des Lade- und Entladevor-gangs erzeugt werden und so die Gefahr einer Explosion zu beseitigen, müssen Batterieräume gemäß EN 50272-2 belüftet werden. Durch diese Belüftung kann EX-geschützte elektrische Ausrüs-tung vermieden werden. Das Belüftungssystem muss so konzipiert sein, dass Nassraumbedingun-gen bewältigt werden können. Installieren Sie Bat-terien nicht in luftdichten Gehäusen. Funkenerzeu-gende Teile müssen mit einem Sicherheitsabstand zur Zelle oder zum Batterieblock installiert werden.

BelüftungsanforderungenIn EN 50272-2 wird der Mindestluftdurchsatz für die Belüftung eines Batterieraums oder -fachs über folgende Formel berechnet:

Q = 0,05 x n x Igas x Crt x 10-3 [m3/h]

Mit

N = Anzahl Zellen

Igas = Inass oder laden [mA/Ah], die für die Berechnung rele-vant sind (siehe Tabelle unten)

Crt = Kapazität C10 für Blei-Säure-Zellen (Ah),

Uf = 1,80 V/Zelle bei 20° C”

In der folgenden Tabelle werden die Werte für lGasaufgeführt, die verwendet werden müssen:

Betrieb Belüftete Zellen (Sb < 3%) VRLA-Zellen

Nassladung 5 1

Igas gemäß EN 50272-2 für IU und U-Ladung, je nach Einsatz und Blei-Säure-Batterietyp (bis zu 40 °C Betriebstemperatur). Die gaserzeugende Stromstärke Igas kann auf 50 Prozent der Werte für belüftete Zellen reduziert werden, wenn Belüftungsstecker zur Rekombinierung verwendet werden (Katalysator).Bei natürlicher Belüftung (Luftkonvektion) werden die Mindest-Einlass- und Auslassbereiche folgendermaßen wiedergegeben:A ≥ 28 x Q [cm2](Luftkonvektionsgeschwindigkeit ≥ 0.1 m/s)

Weitere Details dazu, wie Belüftungssysteme für einen Batterieraum korrekt ausgelegt werden, finden Sie in den spezifischen internationalen und nationalen Normen (z. B. BS EN 502720-2:2001).

—Belüftung und Sicherheit

15R EC YCL I N G U N D ENTSO R G U N G

Nahezu 100 Prozent der Blei-Säure-Batterien werden recycelt. Hierfür gibt es zwei Hauptgründe: Recyceltes Blei ist billiger als die Gewinnung neuer Rohstoffe und alle Teile der Batterie können vollständig recycelt werden.

Polypropylen wird zu neuem Batterie-Kunststoff für neue Batteriegehäuse recycelt, Schwefelsäure wird aufgefangen und als Rohstoffsäure verkauft, und Blei wird geschmolzen und in Batterien oder anderen Produkten wiederverwendet.

Das Bleisäure-Recyclingsystem ist ökologisch gesehen fast ein geschlossener Kreislauf, der auf örtlicher, staatlicher, nationaler und internationa-ler Ebene streng geregelt ist. Batteriebesitzer können ihre gebrauchten Batterien bei Einzel-händlern und Werkstoffannahmestellen sicher entsorgen oder sie sogar direkt an den Hersteller zurückgeben. Manche Hersteller bieten diesen Service kostenlos an.

Informationen zu einer korrekten Batterieentsor-gung finden Sie in der nationalen/internationalen Gesetzgebung und in örtlichen Abfallentsor-gungsrichtlinien und -vorschriften.

—01 In der Recycling- Einrichtung werden gebrauchte Batterien auseinander genommen und in Komponenten für den Recycling- Prozess zerlegt.

—Recycling und Entsorgung

KUNSTSTOFF

Kunststoffpellets, die aus Batteriegehäusen und Abdeckungen recycelt wurden, werden für die Her-stellung neuer Gehäuse und Abdeckungen verwendet.

BLEI

Bleiblöcke, die aus Gitterplatten, anderen Batterieteilen und Blei-Oxid recycelt wurden, werden für die Herstellung neuer Bleigitterplatten, Teile und Bleioxid verwendet.

ELEKTROLYT 1

Ein gebrauchter Elektrolyt wird bei der Fertigung neuer Batterien wiederverwertet.

ELEKTROLYT 2

Vom gebrauchten Elektrolyt getrennte Natriumsulfat-kristalle werden recycelt und z. B. für die Verwendung in Textilien und Glas weiter-verkauft.

—01

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