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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

Unterbrechungsfreie Stromversorgungen stellen in einer zunehmend komplexen und vernetzten Infrastruktur sicher, dass prozessrelevante Systeme und Komponenten ausfallsicher verfügbar sind. Doch welche Faktoren müssen bei der Auswahl und Dimensionierung von DC-USV-Systemen beachtet werden?

Ganz gleich ob Embedded-Industrie-PC, Gateway, Medizin- und Labortechnik, Steuerungen, elektrische Antriebe, Sensorik oder Sicherheitstechnik – Stromausfälle, Flicker, Schwankungen oder Spannungseinbrüchen bei der 12-V- oder 24-V-Spannungsversorgung können zu gefährlichen und kostspieligen Systemausfällen führen, die es in der Industrie- und Medizintechnik unbedingt zu vermeiden gilt.

Für die unterbrechungsfreie Stromversorgung kommen immer öfter dezentrale und modulare DC-USV-Systeme zum Einsatz, die sich direkt an der Maschine oder sogar in die Applikation integrieren lassen. Im Gegensatz zu großen, zentralen USV-Einheiten sind diese kompakt ausgeführt und erreichen einen hohen Wirkungsgrad von bis zu 97 %. Gerade im Bereich Industrie 4.0 und Industrial-IoT mit seiner 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, müssen die jeweilige Applikation analysiert, die Vor- und Nachteile unterschiedlicher Akkutechnologien abgewogen und die Initial- und Folgekosten ganzheitlich betrachtet werden.

Auswahl des Energiespeichers

Für den Einsatz in DC-USV-Systemen sind im Wesentlichen folgende Energiespeicher relevant:

Doppelschichtkondensatoren (Ultracaps, Supercaps),
konventionelle Lithium-Ionen-Zellen,
Lithium-Eisenphosphat-Zellen (LiFePO₄),
Reinblei-Zinn-Akkus (»Cyclon«-Zellen) sowie
klassische Blei-Gel-Akkus.

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In Bild 1 werden die zentralen Eigenschaften und Kriterien mehrerer dieser Technologien im direkt miteinander verglichen. Für tiefergehende Informationen zu den technologischen Unterschieden und Auswahlkriterien der genannten Energiespeicher stellt der Stromversorgungsspezialist Bicker Elektronik ein Whitepaper kostenlos zur Verfügung.

Im Bereich kurzer und mittlerer Überbrückungszeiten eignen sich auch wartungsfreie Doppelschichtkondensatoren als Energiespeicher. Sie punkten mit einer hohen Leistungsdichte und mehr als 500.000 Lade- und Entladezyklen (Bild 2). Im Gegensatz zu Batterien, die Energie über den Umweg einer chemischen Reaktion speichern, basieren Ultrakondensatoren auf elektrophysikalischen Prinzipien. Deswegen sind sie innerhalb kürzester Zeit geladen und einsatzbereit.

Für längere Überbrückungszeiten bietet sich die Lithium-Ionen-Technologie mit hoher Energiedichte an (Bild 2). Bei der Auswahl eines Li-Ionen-Akkus für DC-USV-Systeme empfiehlt sich jedoch ein genauer Blick auf das eingesetzte Kathodenmaterial. Gerade bei Zellen mit chemisch und thermisch instabilem Kathodenmaterial wie Lithium-Kobaltoxid (LCO) oder Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid (NMC) kann es unter bestimmten Bedingungen zu zellinternen exothermischen chemischen Reaktionen kommen, die letztlich in einem unkontrollierbaren thermischen Weglaufen (Thermal Runaway) enden – vielen Lesern sicherlich bekannt durch die Berichterstattung über brennende Mobiltelefone und Elektroautos.

Mit Lithium-Eisenphosphat (LiFePO₄) steht eine wesentlich stabilere chemische Verbindung als Kathodenmaterial zur Verfügung zur Verfügung, das mit erhöhter Sicherheit und einer rund zehnfach höheren Zyklenfestigkeit punkten kann. All diese Aspekte werden ausführlich im genannten Whitepaper behandelt.

Die Betriebstemperatur ist ein ganz wesentlicher Einflussfaktor. Besteht also die Möglichkeit, DC-USV und Energiespeicher von der heißen Maschinenumgebung zu separieren, sind klassische Lithium-Ionen-Akkus eine gute Wahl, da sie aufgrund der hohen Energiedichte verhältnismäßig kostengünstig sind. Muss der Energiespeicher jedoch nah an der Maschine oder in einer wärmeren Umgebung platziert werden und damit höhere Einsatztemperaturen verkraften, eignen sich LiFePO₄-Zellen oder wartungsfreie Doppelschichtkondensatoren wesentlich besser. 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 Arrhenius-Gleichung. Vereinfacht besagt diese, dass sich bei einer Temperaturerhöhung um 10 K die Lebensdauer der Komponenten halbiert. Deshalb sollten Anwender das Temperatur- und Wärmemanagements einer Applikation besonders gründlich analysieren und optimieren. Dies verlängert nicht nur die Lebensdauer des Energiespeichers, sondern aller elektronischen Komponenten des Endgeräts.