Instandhaltung von batteriegestützten Reservestromversorgungen für maximale Einsatzbereitschaft und Zuverlässigkeit

03-03-2015 | Elektrik

Reservestromversorgungen spielen beim Ausfall der Netzstromversorgung eine entscheidende Rolle zur Aufrechterhaltung wichtiger betrieblicher Funktionen.

Einrichtungen wie zum Beispiel Rechenzentren, Krankenhäuser, Flughäfen, Energieversorgungsunternehmen, Öl- und Gasförderanlagen sowie Eisenbahnen können auf die 100-prozentige Zuverlässigkeit von Reservestromversorgungen nicht verzichten. Alle normalen Gewerbe- und Fertigungsbetriebe nutzen Reservestromversorgungen für ihre Notfallsysteme, Alarme und Steuerungsanlagen, Notbeleuchtung sowie Dampf- und Brandbekämpfungsanlagen.

Bei den meisten Reservestromversorgungen werden eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) und ein Batteriestrang, der aus zusammengeschalteten Akkus besteht, verwendet. Die USV versorgt das digitale Leitsystem (DCS) mit Strom, um den Anlagenbetrieb aufrechtzuerhalten, bis die Systeme sicher abgeschaltet werden können oder der Notstromgenerator anläuft.

Obwohl die meisten Akkus, die in den modernen USV-Anlagen verwendet werden, „wartungsfrei“ sind, verschlechtert sich ihr Zustand aufgrund von Korrosion, internen Kurzschlüssen, Sulfatierung, Austrocknung und Fehlern bei der Abdichtung. In diesem Artikel werden die besten Methoden zur Aufrechterhaltung der optimalen Leistungsfähigkeit dieser Batteriesätze erläutert, sodass die Reservestromversorgung bei einem Netzausfall einsatzbereit ist.

Die beiden wichtigsten Kennziffern für den Akkuzustand

Erstens: der Akku-Innenwiderstand

Bei der Messung des Innenwiderstands wird die Lebensdauer geprüft und nicht die Kapazität. Der Akku-Innenwiderstand bleibt bis kurz vor Ende der Lebensdauer relativ konstant. Zu diesem Zeitpunkt erhöht sich der Innenwiderstand, und die Kapazität des Akkus nimmt ab. Die Messung und Überwachung dieses Wertes erleichtern die Ermittlung des Zeitpunkts, an dem die Batterie oder einzelne enthaltene Akkus ersetzt werden müssen.

Aufeinanderfolgende Messungen der Widerstandswerte mit einem Fluke-Batterieanalysator der Serie 500

Verwenden Sie während der Betriebszeit des Akkus nur spezielle Batterietester, die zur Messung des Akku-Innenwiderstands vorgesehen sind. Lesen Sie den Spannungsabfall beim Laststrom (ein Maß für die Leitfähigkeit) bzw. die AC-Impedanz ab. Beide Werte werden in Ohm angegeben.

Eine reine ohmsche Messung hat ohne die entsprechenden Randbedingungen nur eine geringe Aussagekraft. Es hat sich bewährt, den Ohm-Wert über Monate und Jahre hinweg zu messen, jedes Mal mit den zuvor gemessenen und aufgezeichneten Werten zu vergleichen und dies als Ausgangsbasis zu verwenden.

Zweitens: die Entladungsprüfung

Die Entladungsprüfung ist die aussagekräftigste Möglichkeit, mit der sich die tatsächlich verfügbare Kapazität von Akkus und Batteriesträngen feststellen lässt, aber unter Umständen nicht ohne Weiteres durchführbar. Bei der Entladungsprüfung wird ein Akku an eine Last angeschlossen und in einem festgelegten Zeitraum entladen. Während dieses Zeitraums wird der Strom geregelt, sodass ein konstanter Strom entnommen wird, während die Spannung in regelmäßigen Zeitabständen gemessen wird. Die Werte des Entladestroms, die festgelegte Zeitdauer für die Entladungsprüfung und die Kapazität des Akkus in Amperestunden können berechnet und mit den Angaben des Herstellers verglichen werden. Beispiel: Bei einem 12-V-Akku mit 100 Ah kann ein Endladestrom von 12 A in einem Zeitraum von acht Stunden notwendig sein. Ein 12-V-Akku gilt bei einer Klemmenspannung von 10,5 V als entladen.

Akkus können unmittelbar nach einer Entladungsprüfung wichtige Verbraucher nicht mit dem erforderlichen Strom versorgen. Schließen Sie wichtige Verbraucher bis einige Zeit nach Abschluss der Entladungsprüfung an einen anderen Batteriesatz an, und schließen Sie danach vorübergehend eine vergleichbar große Last an die zu prüfenden Akkus an. Machen Sie außerdem vor Beginn der Entladungsprüfung ein Kühlsystem einsatzbereit, mit dem der Anstieg der Umgebungstemperatur kompensiert werden kann. Bei der Entladung großer Akkus werden erhebliche Energiemengen in Form von Wärme freigesetzt.

In gutem Zustand befindliche Akkus sollten eine Kapazität von mehr als 90% des vom Hersteller angegebenen Nennwertes aufweisen. Die meisten Hersteller empfehlen einen Austausch des Akkus, wenn die Kapazität unter 80% liegt. Achten Sie bei der Prüfung von Akkus auf folgenden Anzeichen für einen Ausfall:

  • Absinken der Kapazität um mehr als 10% im Vergleich zum Ausgangswert oder zur vorhergehenden Messung
  • um 20% oder mehr angestiegener Widerstand im Vergleich zum Ausgangswert oder zur vorhergehenden Messung
  • dauerhaft hohe Temperaturen im Vergleich zum Ausgangswert oder zu den Herstellervorgaben
  • Verschlechterung des Plattenzustands

So führen Sie eine normale Akkuprüfung durch

Erhaltungsspannung

  1. Isolieren Sie die Batterie(n) vom Ladesystem und der Last.
  2. Messen Sie mit einem Digitalmultimeter oder einem Batterieanalysator monatlich die Spannung der einzelnen Zellen oder des Strangs.

Ausgang des Ladegerätes

  1. Messen Sie mit einem Digitalmultimeter oder einem Batterieanalysator, z. B. aus der Serie BT500, monatlich die Ausgangsspannung des Ladegerätes an den Ausgangsklemmen.
  2. Beobachten Sie den am Amperemeter des Ladegerätes angezeigten Ausgangsstrom, oder verwenden Sie eine entsprechende Gleichstrommesszange. Messen Sie monatlich.

Erhaltungsgleichstrom

  1. Die zu erwartenden Werte für den Erhaltungsstrom finden Sie in den Angaben des Herstellers.
  2. Messen Sie mit einer geeigneten Gleichstrommesszange monatlich den erwarteten Erhaltungsstrom.

Innenwiderstandswerte

  1. Messen Sie mit einem Batterieanalysator, wie z. B. mit einem Gerät der Serie Fluke 500, vierteljährlich den Innenwiderstand jedes einzelnen Akkus.
  2. Ermitteln Sie Referenzwerte, und führen Sie eine Datenbank über Batteriesysteme und Akkus.

Die fünf häufigsten Ursachen für einen Akkuausfall

  1. lockere Anschlüsse und Verbindungen zwischen den Zellen
  2. Alterung
  3. Überladung und übermäßige Entladung
  4. Thermisches Durchgehen¹
  5. Welligkeit

Schwächstes Glied in der Kette

Bei Ausfall nur eines Akkus im Batteriestrang

  • schaltet sich der gesamte Strang ab
  • verkürzt sich die Lebensdauer²

Ungünstigster Fall

Ein Akku mit einem hohen Innenwiderstand kann sich bei der Entladung überhitzen, sich entzünden oder explodieren. Spannungsmessungen allein weisen nicht auf diese Gefahr hin.

¹Die Hauptursache für Akkuausfälle ist Wärme. Pro 8 °C Erhöhung der Durchschnittstemperatur wird die Lebensdauer des Akkus um die Hälfte verkürzt.

²Aufgrund der Einstellung des Ladegerätes erhöht ein einziger schwacher Akku die Ladespannung benachbarter Akkus. Dies wirkt sich nachteilig auf die Lebensdauer des gesamten Batteriestrangs aus.

Fachbegriffe für Akkus und Batteriesysteme

Kapazitätsprüfung: Entladung eines Akkus mit einem konstanten Strom bzw. konstanter Leistung bis zu einer vorgegebenen Spannung.

Erhaltungsstrom: Der Strom, der fließt, während Akkus auf der Erhaltungsspannung gehalten werden.

Innenwiderstandswerte: Der Innenwiderstand des Akkus (eine charakteristische Eigenschaft jedes Akkus).

Entladungsprüfung: Der Akku ist mit einer Last verbunden, bis die Akkuspannung unter einen festgelegten vorangestellten Grenzwert absinkt.

Welligkeit: Welligkeit der gleichgerichteten Spannung bei Gleichstrom-Ladestromkreisen und Umrichterstromkreisen.

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