State-of-Health-Prüfung von Batteriespeichern
Ganzheitlich erfasster Batteriestatus
Die Speicherkapazität von Batteriesystemen zur Ersatz- oder USV-Versorgung muss in regelmäßigen Abständen überprüft werden, um die Ausfallsicherheit sensibler Apparaturen - z.B. im Bereich der Energieversorgung - zu gewährleisten. Neben den bei USV-Systemen typischen Entladekapazitätstests lässt sich der State of Health von Blei-Säure-Akkumulatoren durch andere Testverfahren auch bei Ladeerhaltung prüfen. Zur schnellen und zuverlässigen Erfassung etwaiger Kapazitätseinbußen stehen verschiedene Messverfahren gepaart mit modernem Datenmanagement, Export- und Reportfunktionen zur Verfügung.
Beispiel eines stationären Batteriespeichers – Bild: ©piamphoto/stock.adobe.com

Mit fortschreitender digitaler Vernetzung in Gebäudetechnik, Schienen-, Verkehrs- und Wasserinfrastruktur sowie Notbeleuchtungssystemen steigen auch die Anforderungen an die ausfallsichere Energieversorgung. Ersatzstrom- und USV-Anlagen schützen kritische Systeme der Datenkommunikation, Sicherheitseinrichtungen, Stellwerke oder medizinische Einrichtungen nicht nur gegen Stromausfall, sondern garantieren auch bei durch Netzstörungen verursachten Spannungsschwankungen zu jedem Zeitpunkt die notwendige konstante Versorgung.

Diffizile Statusbestimmung

Da Batteriespeicher an sich nicht erst seit Digitalisierung und Energiewende genutzt, sondern bereits auf eine lange Geschichte zurückblicken können, hat sich im Laufe der Zeit eine große Anzahl verschiedener verwendeter Zellchemien entwickelt, die jeweils Vor- und Nachteile bieten. So sind die klassischen blei-basierten Typen nach wie vor in vielen stationären Applikationen zu finden, da der hauptsächliche Nachteil dieser Chemie – das Gewicht der Blöcke – weniger stark von Bedeutung ist. Neben Nickel-basierten Chemien sind inzwischen auch vermehrt Lithium-Typen im Einsatz. Hier seien vor allem Lithium-Eisen-Phosphat und Lithium-Titan erwähnt, die immer häufiger in PV-Anlagen als Batteriepuffer zum Einsatz kommen.

Innenwiderstandsmessung bei Batterieblöcken – Bild: Gossen Metrawatt GmbH

Vorteile verschiedener Formen

Die am häufigsten anzutreffende Form des Batteriespeichers ist eine Serienschaltung von mehreren (bis in den dreistelligen Bereich) Batterieblöcken gleichen Typs mit vorgeschaltetem Gleichrichter und – je nach zu versorgenden Lasten – mit nachgelagertem Wechselrichter oder DC/DC-Wandler. Durch die Serienschaltung einer größeren Anzahl an Blöcken entstehen zwangsweise hohe Spannungen am Gesamtausgang der Batterie. Systeme mit Spannungsniveaus von 200 bis 500V sind keine Seltenheit. Häufig werden USV-Anlagen in einem Bypass-System betrieben, wobei die Batterie mit einer Ladeerhaltungsspannung versorgt wird um dem Effekt der Selbstentladung von Batterieblöcken vorzubeugen. Davon abgesehen sorgt das Bypass-System jedoch für einen Ruhezustand des Speichers um die Anzahl der Lade- und Entladezyklen zu minimieren. Neben der Ladespannung und der Entladehäufigkeit wirken sich weitere Faktoren und Umweltbedingungen wie Block- und Umgebungstemperatur und Luftfeuchtigkeit auf den Batteriestatus aus. Daher lassen sich Lebensdauer und Batteriealterung nicht pauschal bestimmen. Schon eine defekte Einheit der in Reihe geschalteten Blöcke kann die Lebensdauer des gesamten Strangs verringern. Folglich sollten die Speicher regelmäßig auf Blockebene geprüft werden, um sicherzustellen, dass im Störfall die gespeicherte Energie für die angeschlossenen Lasten ausreicht. Zusätzlich kann durch den Austausch gealterter Blöcke die Lebensdauer des Gesamtspeichers verlängert werden, wodurch Kosten und Ressourcen gespart werden.

Kapazitäten testen unter Last

Zur exakten Bestimmung des State of Health von Batterien, der auch den Ladungsspeicher einbezieht, ist ein vollständiger Kapazitätstest bis zur Entladeschlussspannung unerlässlich. Dies ist zellchemieunabhängig für alle Batterietypen, egal ob Blei-, Nickel- oder Lithium-basiert, gültig. Der Test kann entweder durch Anschluss einer externen Last mit voreingestelltem Entladestrom erfolgen oder indem die elektrischen Verbraucher aktiv geschaltet und über die USV versorgt werden. Mit der zweiten Variante lässt sich die Entladekapazität der Batterien auf Grundlage der realen Verbrauchswerte ermitteln. Auf diese Weise lässt sich die Kapazität unter realen Bedingungen bei genauer Dokumentation des Spannungs- und Stromverlaufs bestimmen. Je nach Art der Applikation kann solch ein Test einige Stunden in Anspruch nehmen. Ergänzend kann eine Prüfung der Blockspannungen während des Lade- oder Entladevorgangs erfolgen. Dieses Messverfahren erlaubt es, zuvor festgestellte Kapazitätseinbußen und Spannungsabfälle auf Blockebene zu identifizieren, indem z.B. nach erfolgtem Entladekapazitätstest geprüft wird, welche Blöcke im Verlauf der Batterieladung ein auffälliges Spannungsverhalten zeigen. Die Blockspannungsprüfung erfordert mindestens zwei Messreihen – zu Beginn und Ende des Lade- oder Entladevorgangs. Für detaillierte Analysen der Blocklade- bzw. Blockentladekurve sind weitere Messdurchläufe während des Vorgangs notwendig.

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Autor | Andreas Stollberg, Produktmanager, Gossen Metrawatt GmbH

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Kapazitäten testen unter Last

Zur exakten Bestimmung des State of Health von Batterien, der auch den Ladungsspeicher einbezieht, ist ein vollständiger Kapazitätstest bis zur Entladeschlussspannung unerlässlich. Dies ist zellchemieunabhängig für alle Batterietypen, egal ob Blei-, Nickel- oder Lithium-basiert, gültig. Der Test kann entweder durch Anschluss einer externen Last mit voreingestelltem Entladestrom erfolgen oder indem die elektrischen Verbraucher aktiv geschaltet und über die USV versorgt werden. Mit der zweiten Variante lässt sich die Entladekapazität der Batterien auf Grundlage der realen Verbrauchswerte ermitteln. Auf diese Weise lässt sich die Kapazität unter realen Bedingungen bei genauer Dokumentation des Spannungs- und Stromverlaufs bestimmen. Je nach Art der Applikation kann solch ein Test einige Stunden in Anspruch nehmen. Ergänzend kann eine Prüfung der Blockspannungen während des Lade- oder Entladevorgangs erfolgen. Dieses Messverfahren erlaubt es, zuvor festgestellte Kapazitätseinbußen und Spannungsabfälle auf Blockebene zu identifizieren, indem z.B. nach erfolgtem Entladekapazitätstest geprüft wird, welche Blöcke im Verlauf der Batterieladung ein auffälliges Spannungsverhalten zeigen. Die Blockspannungsprüfung erfordert mindestens zwei Messreihen – zu Beginn und Ende des Lade- oder Entladevorgangs. Für detaillierte Analysen der Blocklade- bzw. Blockentladekurve sind weitere Messdurchläufe während des Vorgangs notwendig.

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