Sie sind hier: HomeRubrikenStromversorgung

News, Produkte, Fachartikel aus der Elektronik: Halbleiter, Embedded, Optoelektronik, Distribution, Automation, Stromversorgung, Messtechnik, Elektromechanik, Automotive, Kommunikation, Elektronikfertigung

Unterbrechungsfreie Stromversorgung: Nonstop Power für Medizin- und Labortechnik

Fortsetzung des Artikels von Teil 1.

Echtzeit-Monitoring und Reboot-Funktion

Intelligente DC-USV-Systeme verfügen über ein Echtzeit-Monitoring und können mittels integrierter Kommunikationsschnittstellen fernüberwacht und -gesteuert werden. Mit Hilfe der USV-Management-Software lassen sich Betriebsdaten übersichtlich visualisieren, Parameter anpassen und mögliche Alarm- und Hinweisroutinen definieren. Die individuelle Einbindung und Überwachung kann zudem mit Hilfe umfangreicher Befehlssätze auf Basis des Kommunikationsprotokolls umgesetzt werden.

Für PC-basierte Applikationen sollte seitens der DC-USV die Möglichkeit bestehen, das System bei längerer Absenz der Versorgungsspannung kontrolliert herunterzufahren und wichtige Betriebsdaten zu sichern. Eine automatische Trennung des Batteriepacks nach erfolgtem Shut-Down verhindert, dass der Energiespeicher durch den Wandler weiter belastet wird und so in die Tiefenentladung gerät. Die integrierte Reboot-Funktion leitet nach wiederkehrender Versorgungsspannung selbstständig den Neustart des PC-Systems ein, ohne dass eine aufwendige Vorort-Intervention eines Service-Mitarbeiters notwendig wäre, zum Beispiel bei autarken Rechnersystemen an unzugänglichen Standorten. Zusätzlich erlaubt eine Batterie-Start-Funktion den (getrennten) Energiespeicher bei Bedarf auch manuell zu aktivieren und die Applikation initial aus der Batterie heraus zu starten, um beispielsweise eine Dia­gnose durchzuführen. 

Whitepaper: Sichere und langlebige DC-USV-Systeme
Das Whitepaper »Auswahl der richtigen Batterietechnologie für langlebige und sichere DC-USV-Systeme« von Bicker Elektronik zeigt detailliert die technologischen Unterschiede und Auswahlkriterien für Energiespeicher auf. Supercaps, Lithium-Eisenphosphat-Zellen (LiFePO4), konventionelle Lithium-Ionen-Zellen (LCO/NMC), Reinblei-Zinn- sowie klassische Blei-Gel-Batterien werden hinsichtlich zahlreicher Parameter verglichen, unter anderem Zellaufbau, Sicherheit, Energie- und Leistungsdichte, Lebensdauer, Strombelastbarkeit, Arbeitstemperaturbereich, Wartung, Transport und Lagerung sowie Initial-und Folgekosten. Das Whitepaper ist über die Website www.bicker.de/whitepaper kostenlos abrufbar.

 

Flexibler Einsatz verschiedener Batterietechnologien

Damit die DC-USV flexibel mit verschiedenen Batterietechnologien eingesetzt werden kann, sollten drei Ladeverfahren mit individueller Anpassung der Ladeschlussspannung implementiert sein: Constant Current, Constant Voltage und Constant Power. Beim UPSI-System verfügt jeder Energiespeicher über ein Batte­riemanagement-IC, das via I²C-Bus mit der USV-Steuerelektronik kommuniziert (Bild 4). Ein Mikrocontroller erkennt Art und Daten des Akkus und passt die Lade- und Entladeparameter an. Somit kann ein Systemhersteller sich auch zu einem späteren Zeitpunkt für eine andere Batterietechnologie entscheiden. Durch die Hot-Swap-Funktion lässt sich der Energiespeicher auch während des Betriebs wechseln.

Insbesondere bei Lithium-Ionen-Energiespeichern ist ein Batterie-Management-System (BMS) zwingend notwendig, um die Lebensdauer und die Sicherheit zu erhöhen. Das BMS überwacht und steuert den kompletten Lade- und Entladevorgang jeder Batteriezelle des Energiespeichers (Bild 5). Eine wichtige Kernaufgabe des BMS ist das sogenannte Cell-Balancing. Innerhalb eines Energiespeichers werden für eine höhere Nennspannung mehrere Einzelzellen in Reihe geschaltet. Aufgrund von Fertigungstoleranzen und unterschiedlich starker Alterung der Zellen unterscheiden sich diese in Kapazität und Innenwiderstand. Die Leistungsfähigkeit und Gesamtkapazität des Lithium-Ionen-Batteriepacks richtet sich in diesem Fall nach der »schwächsten« Zelle im Verbund, da diese beim Ladevorgang als erste den Spannungsgrenzwert für die Ladebegrenzung erreicht und somit die vollständige Aufladung der restlichen Zellen verhindert (Bild 6). Das Cell-Balancing (aktiv oder passiv) gleicht diese Unterschiede zwischen den einzelnen Verbund-Batteriezellen durch entsprechende Beschaltung aus und sorgt für eine ausgewogene und gleichmäßige Ladung aller Zellen, sodass die volle Kapazität des Energiespeichers nutzbar bleibt, sowie Zyklenanzahl und Lebensdauer sich erhöhen.

In vielen DC-USV-Systemen wird der Batteriepack oft über sehr lange Zeit (gegebenenfalls über Monate) auf Lade­schlussspannung am Lader betrieben, um die volle USV-Bereitschaft jederzeit zu gewährleisten. Wenn jedoch Lithium-Ionen-Zellen über derart lange Zeiträume unter ständiger Belastung im Ladeschluss-Zustand bleiben, nimmt die Lebensdauer der Zellen nach einigen Monaten stark ab. Um die Zellen zu schonen, kann mithilfe des Batterie-Relax-Modus nach einer definierten Zeit der Lade-MOSFET bei Ladeschluss deaktiviert werden. Der Entlade-MOSFET bleibt weiterhin aktiv, sodass eine Entladung jederzeit möglich ist. Bei detektierter Entladung (USV-Betrieb nach Stromausfall) wird der zuvor deaktivierte Lade-MOSFET unmittelbar wieder zugeschaltet, sodass der Stromfluss über die Body-Diode nur wenige Mikrosekunden andauert und der Lader in den regulären Betriebsmodus zurückkehrt. Die Schonung des Batteriepacks durch den Relax-Modus resultiert in einer deutlich verlängerten Lebensdauer und somit einer erhöhten Systemverfügbarkeit.

Für die Implementierung von DC-USV-Systemen bieten sich entweder besonders kompakte Bauformen, welche alle Komponenten auf einem Modul vereinen, oder modular aufgebaute DC-USV-Systeme an. Beispielsweise kann das Supercap-DC-USV-Modul der UPSIC-Serie (Bild 7) mit einer Grundfläche von 135 mm × 79,5 mm direkt in kompakte Systeme zur Absicherung einzelner Aktoren oder Sensoren integriert werden oder Low-Power-Embedded-Computersysteme absichern. Bei größerem Energiebedarf bieten sich modulare und flexible DC-USV-Systeme mit separaten Energiespeichern an. Diese können bei Bedarf zu einem späteren Zeitpunkt gegen Energiespeicher höherer Kapazität oder mit alternativer Batterietechnologie ausgetauscht werden. Für die Anwendung der genannten DC-USV-Lösungen innerhalb von Schaltschränken bieten Hersteller neben integrierbaren Open-Frame-Versionen auch besonders robuste und geschlossene DIN-Rail-Versionen der Energiespeicher mit Aluminiumgehäuse und Schnell-Montage-Halterung für die Hutschiene an (Bild 8).

Bedarfsgerechtes Konzept prüfen 

In Anbetracht der unterschiedlichen Anforderungsprofile an eine unterbrechungsfreie DC-Stromversorgung sollte bei der Auswahl eines DC-USV-Systems zunächst immer die individuelle Design-In-Beratung und applikationsspezifische Konzeption gemeinsam mit dem Stromversorgungshersteller stehen. Eine flexibel einsetzbare Steuerungs- und Ladeelektronik voraus­gesetzt, gilt es, einen passenden Energiespeicher hinsichtlich Zuverlässigkeit, Sicher­heit, Lebensdauer, Leistungsfähigkeit und Kosten zu definieren.

Bei der Beurteilung der Investitionskosten sollte insbesondere die Betrachtung der TCO (Total-Cost-Of-Ownership) über die gesamte Nutzungsdauer eines medizintechnischen Systems im Mittelpunkt stehen. Vermeintlich günstige Batterietechnologien können sich unter bestimmten Anwendungsbedingungen bereits nach kurzer Einsatzdauer durch hohen Wartungsaufwand oder gar frühzeitigen Ausfall als Mehrkosten- und Unsicherheitsfaktor entpuppen. Hingegen kann ein durchdachtes und bedarfsgerechtes Konzept hinsichtlich der tatsächlich abzusichernden Komponenten die Gesamtkosten für das DC-USV-System deutlich senken, ohne das Risiko zu erhöhen.

Zuerst gesehen
Dieser Beitrag stammt aus der Medizin+elektronik Nr. 6 vom 02.11.2018. Hier geht’s zur vollständigen Ausgabe.