Standby- und USV Batterien Lösung für die kontinuierliche Überwachung kritischer Batterieanlagen

Die Wartung von Batterieanlagen ist zeit- und kostenaufwändig wenn sie umfassend und sorgfältig durchgeführt wird. Ein Kapazitäts- bzw. Belastungstest ist zwingend notwendig, wird aber heutzutage immer weniger durchgeführt. Deshalb muss ein System zur ständigen Erfassung der relevanten Messwerte einfach zu installieren und flexibel in der Parametrierung von Alarmierungen sein.

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TURCK GmbH

SAB Bröckskes GmbH & Co KG

Schneider Electric GmbH

Elektronik-Kontor Messtechnik GmbH

Für kritische Batterieanlagen in sensiblen Bereichen ist eine kontinuierliche Überwachung notwendig. Personaleinsparungen und Kostengründe zwingen jedoch Betreiber und Wartungsfirmen zu eingeschränkten Tests, deren Aussagekraft aber zweifelhaft ist, da mindesten 20 bis 25 Prozent der Kapazität einer Batterie entnommen werden muss, um eine zuverlässige Aussage zu treffen. Die reine Spannungsmessung hat entgegen landläufiger Meinung nur eine geringe Aussagekraft über die aktuelle Restkapazität einer Batterie. Auch die von der USV, bzw. dem Laderegler gelieferten Informationen sind nur für eine grobe Gesamtübersicht, aber nicht für die einzelne Zelle aussagekräftig.

Abhilfe schafft die patentierte Leitwertessung als einzige Möglichkeit, um Informationen aus dem Inneren der Batterie zu erhalten.

Betriebsbedingungen der Batterie verringern die Lebensdauer

Service- und Inspektionsarbeiten liefern Informationen zu dem Zeitpunkt an dem sie durchgeführt werden. Also in monatlichen oder jährlichen Abständen. Für teure Batterien und vor allem für kritische Anwendungen ist aber die kontinuierliche Überwachung der Batterieparameter wichtig, zumal zwei wesentliche Einflussfaktoren die Lebensdauer einer einzelnen Batterie innerhalb von Monaten erheblich reduzieren können: zu hohe Temperatur und Korrosionseinflüsse (in erster Linie der positiven Gitterseite).

Wenn die Temperatur zunimmt, laufen alle chemischen Reaktionen schneller ab. Bei gleicher Spannung und sonst gleichen Bedingungen verdoppelt sich der Strom pro 10°C Temperaturzunahme. Unterschiedliche Innenwiderstände der Batterien führen zu unterschiedlichen Spannungsabfällen und unterschiedlichen Temperaturen. Ungünstige Einbausituationen führen dazu, dass Zellen in der Mitte einer Batterieanlage schlecht gekühlt werden. Nicht zuletzt führt zu hohe Temperatur zur Austrocknung des Elektrolyten — insbesondere bei verschlossenen Batterien! Die wichtigsten Einflussfaktoren auf die Kapazität und Lebensdauer einer Batterie sind in der Tabelle aufgeführt.

Korrosion wird vor allem durch ungünstige Ladespannung gefördert. Der optimale Spannungsbereich liegt bei ca. 2,20 bis 2,25 V pro Zelle. Wird dieses Spannungsfenster dauerhaft über- oder unterschritten treten Korrosionseffekte verstärkt auf. Die Spannungsregelung der USV erfasst nur den gesamten Strang, aber nicht die Spannungslage jeder einzelnen Zelle oder Blocks. Wie schon oben erwähnt, verdoppeln sich auch die Korrosionsraten pro 10°C Temperaturzunahme. Dies führt zu einer sehr schnellen Verschlechterung oder unmittelbarem Versagen, wenn der Schaden eine kritische Grenze überschritten hat. Dadurch entwickeln sich baugleiche Zellen mit annähernd gleichen Ausgangsvoraussetzungen unter Umständen sehr unterschiedlich.

Zusätzlich gibt es Prozesse, die zu einem „plötzlichen“ Versagen der Batterie führen können:

? Dendritenbildung: Ganz dünne Kristalle wachsen durch den Separator von einer Elektrode zur anderen. Sie entladen die Zelle. Ursache: z.B. hoher Ah-Durchsatz.

? Strompfad wird durch Bruch unterbrochen: Bei Bruch eines Zellverbinders bei oder Pols (durch hohen Entladestrom und hohen Widerstand) ist der Stromfluss unterbrochen und die Batterie ist sofort unbrauchbar! Explosionsgefahr! Ursache: Hohe, bzw. niedrige Ladespannung, oft aber Fertigungsprobleme.

Fernüberwachung aller Parameter

Auch regelmäßige Wartungen können solche Ausfälle nicht mit absoluter Sicherheit verhindern. Erst durch eine Fernüberwachung aller relevanten Parameter, die über die Standardfunktionen des Ladegeräts hinaus gehen, können die entscheidenden Veränderungen rechtzeitig erkannt werden und Informationen über die Batterien können in jedem Moment den Technikern zur Verfügung gestellt werden.

Mit einem Monitoring-System, dass ständig Informationen jeder einzelnen Zelle in einem Strang erfasst, ist dieser Forderung erfüllbar. Alarmmeldungen über kritische Zustände werden an die USV, aber auch per SMS und E-Mail an den jeweils zuständigen Service weitergeleitet. Eine kurzfristige Reaktion auf das Batterieproblem ist unmittelbar möglich.

Bestandteil vorbeugender Instandhaltung

Ein vollständiges Batterie-System Monitoring – CellGuard — ist vom amerikanischen Batteriespezialisten Midtronics verfügbar. Es erfasst alle Parameter der Batterieanlage und stellt diese Online zur Verfügung.

Jede Zelle oder Block eines Strangs wird von einem eigenen Sensor überwacht. Dieser Sensor liefert regelmäßig Messwerte für Leitwert, Spannung und Temperatur drahtlos an eine Zentraleinheit. Diese Zentraleinheit erfasst außerdem über einen weiteren Sensor die Strangspannung und -strom sowie die Temperatur. Über die Richtung des Strangstroms wird erkannt, ob sich die Batterie im Ladeerhaltungsbetrieb befindet, oder ob eine Entladung erfolgt. Bei Entladung erfasst das System jede Sekunde die Spannung jeder einzelnen Zelle. Dadurch kann das Verhalten und der Zustand der Batterieanlage durch Vergleich mehrer Entlademessreihen sehr genau beurteilt werden. Drohende Probleme und Ausfälle werden schon zu Beginn erkannt und können kostengünstig und effektiv behoben werden. Somit ist das Online-Monitoring-System CellGuard ein Bestandteil der vorbeugenden Instandhaltung und ermöglicht ein Maximum an Systemsicherheit.

Der Sensor wird einfach, mit einem für jede Anschlussart vorkonfektionierten Kelvin-Kabelbaum, an den Plus- und Minuspol der Zelle angeklemmt. Eine weitere Verkabelung zwischen den Batterien ist nicht notwendig, da die Messwerte drahtlos an ein in der Nähe installierte Zentrale gefunkt werden. Dies reduziert den Installationsaufwand erheblich.

Die Temperatur wird am Minuspol mittels Thermoelement gemessen. Die Batteriespannung und der Leitwert werden einmal pro Tag vom Sensor erfasst. Der Strangstrom wird über eine hochempfindliche Stromzange als Lade- oder Entladestrom detektiert. Die Spannungsversorgung für alle Komponenten erfolgt über die Batterieanlage.

Zur Weiterleitung der Informationen ist ein Internetanschluss notwendig. Per Unidirektionale Kommunikation werden die Messwerte an die Datenbank CELLTRAQ weitergeleitet. Die Daten werden par per E-Mail übertragen. Dadurch ist sichergestellt, dass zu keinem Zeitpunkt von außen ein Eingriff in die Batterieanlage möglich ist. Die Datenbank wird auf einen beliebigen Server installiert und kann eine beliebige Anzahl von Batterieanlagen überwachen. Die Dokumentation in CELLTRAQ ist auch für Messwerte möglich, die von den Midtronics Handtestern geliefert werden.

Spezielle Variante für 48V-Telekommunikationssysteme

Für 24V- bzw. 48V-Systeme werden mit dem CellGuard Trace alle 24 Stunden die Leitwerte, Spannungen und Temperaturen jedes 12V-Blocks erfasst. Ein Alarmkontakt meldet ein Problem, wenn einer der Messwerte eine definierte Grenze überschreitet. Eine Parametrierungssoftware und alle Anschlusskabel werden mit geliefert.

Kosteneinsparungs-Potential bei neuen und älteren Batterieanlagen

Wenn schon bei der Installation eines neuen Strangs das CellGuard System mit implementiert wird, steigen die Installationskosten nur unwesentlich an, da kaum zusätzliche Arbeiten notwendig sind. Wird die neue Zelle oder Block angeschlossen, wird gleichzeitig der Sensor aufgesetzt und an den Polen angeklemmt. Die Inbetriebnahme erfolgt innerhalb von wenigen Stunden für einen ganzen Strang.

Die laufenden Wartungskosten werden durch die kontinuierliche Lieferung von Messwerten auf ein Minimum reduziert. Hier steckt das eigentliche Einsparpotential, da nur noch optische Inspektionen notwendig sind.

Die Leitwertmessung mittels Handtestern an neuen Zellen bietet die Möglichkeit, Blöcke optimal aufeinander abzustimmen und diejenigen Zellen zu einem Strang zu kombinieren, die den annähernd gleichen Innenwiderstand aufweisen. Dadurch werden die Ausgangsvorrausetzungen für den Strang angeglichen und differierender Spannungsabfall minimiert.

Durch den Einbau an älteren Batterieanlagen, kann die maximale Lebensdauer des Strangs vollständig ausgenutzt werden. Investitionen in neue Batterien werden dann getätigt, wenn sich der Ersatz sinnvoll abzeichnet und kann dann, wenn notwendig kostengünstig organisiert werden. Überraschende Austauschaktionen, bei denen „der nächstbeste“ Lieferant gewählt werden muss, entfallen. Alle Komponenten können nach einem Austausch der Zellen wieder neu verwendet werden. Die einmalige Investition in ein Online-Monitoring-System liefert somit eine dauerhafte, maximale Überwachungslösung. Bei Einsatz an älteren Anlagen wird die Anlagensicherheit deutlich erhöht. Anstehende Serviceeinsätze können besser im Voraus geplant bzw. dann durchgeführt werden, wenn sie notwendig sind. Kritische Zustände werden sofort erfasst, und per E-Mail oder SMS an den aktuell zuständigen Wartungstechniker weitergeleitet. Der Schweregrad wird klassifiziert und der Techniker wird sofort über kritische Fehlermeldungen und Vorschlägen für deren Behebung informiert.

Mittelfristig ermöglicht das CellGuard Batterie-Überwachungssystem bei minimalen Investitions- und Installationskosten eine Kostenersparnis bei der Wartung und Service bei maximaler Anlagensicherheit.

Eine Unterstützung und Einweisung für diese Messmethode wird durch den Distributor Elektronik Kontor Messtechnik und durch Midtronics gewährleistet.

Michael Jäger, Vertrieb von elektrischen Messgeräten, Elektronik-Kontor Messtechnik

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