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.
Bild: ©piamphoto - stock.adobe.comMit fortschreitender digitaler Vernetzung in Gebäudetechnik, Schienen-, Verkehrs- und Wasserinfrastruktur sowie Notbeleuchtungssystemen steigen auch die Anforderungen an die ausfallsichere Energieversorgung.
Bild: Gossen Metrawatt GmbH
Bild: Gossen Metrawatt GmbH
Bild: Gossen Metrawatt GmbHDiffizile 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.
Bild: Gossen Metrawatt GmbHVorteile 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.
Messverfahren bei Ladeerhaltung
Zwischen den turnusmäßig durchgeführten Entladekapazitätstests kann der Batteriestatus auch ohne langwierige Zellentladung durch Messung des elektrischen und elektrochemischen Widerstands geprüft werden. Da die Leitfähigkeit der Batterieblöcke bei fortschreitender Alterung etwa durch Korrosion und Sulfatierung der Bleielektroden sinkt, verweist ein erhöhter Innenwiderstand auf eine verringerte Lade- und Entladekapazität. Voraussetzung für valide Widerstandsmessungen ist die Ermittlung des Ausgangswerts möglichst bei Inbetriebnahme des Batteriespeichers. Anhand dieser Referenzgröße kann der Grad der Batteriealterung in Folgeprüfungen sowohl über die Zeitschiene als auch im aktuellen Vergleich der verschalteten Batterieblöcke festgestellt werden. In der Praxis hat sich gezeigt, dass bei Blei- sowie Nickel-basierten Typen erhöhte Widerstandswerte ab ca. 40 Prozent vom Ursprungswert auf defekte Blöcke hinweisen können. Neben der Referenzierung kommt es bei der Bestimmung des Innenwiderstands auf eine hochgenaue Messung an, da sich die Abweichungen im Milliohm-Bereich bewegen. Für die hierzu erforderliche 4-Leiter-Messung werden spezielle Kelvin-Sonden benötigt, die zudem über eine dünne aber robuste Kontaktspitze verfügen müssen um die Messpunkte der Polschrauben verlässlich kontaktieren zu können.
Bild: Gossen Metrawatt GmbHElektrische und elektrochemische Faktoren
Zur Widerstandsmessung prägen marktübliche Messgeräte der Batterie einen Wechselstrom auf und berechnen die Impedanz aus der resultierenden Spannungsantwort. Durch das Aufprägen hoher Frequenzen wird die reale elektrische Impedanz gemessen, um Aufschluss über den Zustand der metallisch leitenden Verbindungen (Korrosionseffekte, Dendritenbildung) sowie die Leitfähigkeit des Elektrolyten zu erhalten. Über die genannte Messung hinaus sollte jedoch auch der Einfluss des elektrochemischen Widerstands auf die Batteriekapazität erfasst werden. Der als RCT - Resistance Charge Transfer - bezeichneten Widerstand des Stromflusses an der Schnittstelle von Elektrode und Elektrolyt stellt einen wesentlichen Indikator für Batterien dar, die Gleichstrom über lange Überbrückungszeiten bereitstellen müssen. Sein Wert hängt stark von der Beschaffenheit und Struktur des aktiven Plattenmaterials, das heißt dessen Porosität, ab. Während der Ladeerhaltung erhöhte RCT-Werte zeigen an, dass die Ladung eines Blockes mit erhöhten Verlusten oder nur eingeschränkt erfolgt. Häufig gehen erhöhte Innenwiderstände bzw. abnehmende Kapazitäten mit einer erhöhten Temperatur des gealterten oder geschädigten Blocks einher. Leider ist diese erhöhte Temperatur nicht nur ein Indikator für einen gealterten Block, sondern sie wirkt sich auch negativ auf die Lebensdauer der benachbarten Blöcke aus, da diese in den meisten Fällen für ein schmales Temperaturfenster bei 25°C spezifiziert sind, welche dann durch die Abwärme der gealterten Blöcke überschritten wird und somit auch bei den benachbarten Blöcken Alterungsprozesse beschleunigt werden. Ein weiterer Grund für das Erfassen von Blocktemperaturen ist die Gefahr des Thermal Runaways. Durch Korrosion oder Dendriten-Bildung können sich interne Kurzschlüsse bilden. Als Folge erhöht sich die Temperatur der Zelle. Durch die Temperaturerhöhung trocknet das Elektrolyt schneller aus, was wiederum die Korrosionsprozesse begünstigt und die Temperatur des Blocks weiter erhöht. Letztlich kann dieser Kreislauf zu einem Thermal Runaway führen mit der Gefahr eines Brandes des Batteriespeichers. Sowohl der Innenwiderstands- als auch der Temperaturmessung ist gemein, dass sie zwingend unter gleichbleibenden Bedingungen erfolgen müssen. In der Praxis wird die Messung in den meisten Fällen im Ladeerhaltungszustand der Batterie durchgeführt.
Ganzheitlich erfasster Batteriestatus
Mit dem Metracell BT Pro hat Gossen Metrawatt einen kompakten, robusten Batterietester mit vielfältigen Prüffunktionen für Batterieanlagen eingeführt. Durch Kapazitäts-, Widerstands-, Spannungs- und Temperaturmessungen sowie die Erfassung der Säuredichte ergibt sich ein vollständiges Zustandsbild des Batteriespeichers. Das portable, akkubetriebene Prüfgerät mit übersichtlicher Bedienoberfläche verschafft einen unkomplizierten Zugriff auf sämtliche Funktionen. Seine Bluetooth- und Infrarot-Schnittstellen vereinfachen den Datenexport zur Prüfsoftware oder im CSV-Format sowie die Messwertübertragung von externen Messinstrumenten. Die effiziente Logistik für alle Messaufgaben wird durch ein integriertes RFID-Transpondersystem unterstützt, das die Verwaltung und Zuordnung auch bei hunderten Batterieanlagen erleichtert und Fehlerquellen auszuschließen hilft. Die mitgelieferte Datenbank-Software bereitet die Messwerte grafisch prägnant in Kurven und Diagrammen für die Ausgabe von Reports und Dokumentationen auf. Zudem können die Daten in vergleichender Darstellung ausgegeben werden, um Unterschiede der einzelnen Batterieblöcke zueinander sowie im Vergleich zu früheren Messungen auf einen Blick zu markieren. Auch die Erstellung einer Batterietypen-Bibliothek wird unterstützt. Gossen Metrawatt liefert den Batterietester im Prüfkoffer mit Ladegerät, Messleitungen, Kelvinsonden und Krokodilklemmen. Als Zubehör sind optional u.a. ein Zangenstromsensor zur Messung von Lade- und Entladeströmen sowie ein Infrarot-Temperatursensor erhältlich.
Bild: Gossen Metrawatt GmbHDiffizile 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.
Gossen Metrawatt GmbH
Dieser Artikel erschien in GEBÄUDEDIGITAL 6 (Oktober) 2022 - 27.10.22.Für weitere Artikel besuchen Sie www.gebaeudedigital.de
