Batterieüberwachung

Batteriesensor verlängert Lebensdauer

20.03.2007 | Autor / Redakteur: Nigel Scott* / Hendrik Härter

Batterien sind in immer mehr Anwendungen anzutreffen. Gerade kritische Systeme müssen stets zuverlässig funktionieren. Ein Batterie-Sensor erhöht die Betriebssicherheit und verlängert die Lebensdauer einer Batterie.

Die kontinuierliche Überwachung von Standby- und Stützbatterien in unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USV) kann Wartungskosten verringern und Batterieausfälle verhindern, vor allem bei Systemen mit VRLA/AGM- oder Gel-Batterien. Die Kosten für herkömmliche Überwachungstechniken liegen in der Größenordnung von 50 bis 70% der Batteriekosten. Daher besteht Bedarf an einem preiswerten Produkt, das die durchschnittlichen Anforderungen von Standby-Batterien in nicht sicherheitskritischen Stand-by-Systemen erfüllt.

Das Unternehmen LEM arbeitet gemeinsam mit Systemintegratoren und OEM an der Entwicklung von Bauteilen für Systeme zur zuverlässigen und hochwertigen Überwachung von Stand-by-Systemen. Die Batterieüberwachung ist in vielen Anwendungen notwendig. Bei einem Batteriesystem, das mit 20 Jahren Betriebsdauer ausgewiesen war, traten trotz der regelmäßigen Wartungsintervalle bereits im siebten Jahr nach der Inbetriebnahme bei 40% der Zellen schwerwiegende Probleme auf. Damit ergaben sich im achten Betriebsjahr unvorgesehene Ausgaben in Höhe von 1,3 Mio. US-$.

Regelmäßige Wartung reicht nicht aus

Das Beispiel zeigt, dass eine regelmäßige Wartung nicht ausreichend ist, um früh einsetzende Fehler rechtzeitig zu erkennen. Vielmehr wäre ein kontinuierliches Überwachungssystem erforderlich, das Hochrechnungen für jede einzelne Zellenimpedanz und -temperatur erstellt.

Nur eine kontinuierliche Datensammlung ermöglicht Vorhersagen zu möglichen Fehlern, bevor schwerwiegende Probleme auftreten und stellt genügend Daten zur Verfügung, um einen Garantieanspruch geltend machen zu können.

Elektronische Batterieüberwachungs-, Analyse- und Managementsysteme für solche Anwendungen verwenden bis heute recht einfache Technologien, die jedoch relativ teuer sind. Der hohe Preis und die kleinen Stückzahlen verlängern die Amortisierungsdauer in den meisten Systemen überproportional, außer bei den hochkritischen Überbrückungssystemen.

In der Industrie sind zuverlässige Stand-by-Systeme mit einer längeren Batterielebensdauer gefragt. Die Volumenfertigung ermöglicht die Produktion auch komplexer Systeme zu einem Bruchteil der gegenwärtigen Betriebskosten.

Sensor überwacht Batterie und ermöglicht Datenübertragung

Ergebnis der Entwicklung bei LEM ist der Batterieüberwachungssensor Sentinel, der Spannung und Impedanz jeder Zelle misst und darüber hinaus die Innentemperatur einzelner Zellen überwachen kann. Mit der Überwachung dieser Parameter lässt sich die Lebensdauer, Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit von Backup-Stromversorgungen erheblich verbessern.

Die Sentinel-Sensoren arbeiten mit einem kundenspezifischen System-on-Chip-(SoC-) Baustein, der die Signale und Schnittstellen zum digitalen Steuerungsbus (S-Bus) verwaltet. Die Daten werden an den Microguard übertragen, einem speziellen Überwachungs- und Steuerungssystem. Die Sentinel-Netzwerkarchitektur erlaubt die Datenübertragung an proprietäre und nicht proprietäre Bauteile. Dieses Leistungsmerkmal erlaubt die Kommunikation mit OEM-Frontends direkt von der Sentinel-Einheit aus oder über die Ausgangsdaten des Microguard. Der Sentinel-Sensor lässt sich einfach an Gebäudemanagement-, USV- und SCADA-Systemen anschließen.

In Stand-by-Systemen kann der Ausfall einer einzigen Zelle die Funktion einer ganzen Reihe von Batterien beeinträchtigen, sodass große Systeme nicht mehr die erforderliche Betriebsdauer gewährleisten können. Die Überwachung von Spannung, Strom und Impedanz erlaubt dem Anwender die genaue Vorhersage, welche Zelle wahrscheinlich ausfallen wird. Diese lässt sich dann rechtzeitig ersetzen und die Zuverlässigkeit des Systems erhöht sich. Über eine Temperaturüberwachung kann ein Techniker die Lebensdauer der Batterien erhöhen, da jede Temperaturveränderung erkennbar ist und sich korrigieren lässt, bevor schwerwiegendere Probleme auftreten.

Überwachungssystem lässt sich integrieren

Das Sentinel-System besteht aus einem Schnittstellenmodul-Kit, einem Stand-alone-Monitor und einer „Instant-Monitor“-Leiterplatte zur Integration in OEM-Geräte. Das System ist sowohl für Endanwender als auch für OEM bestimmt und stellt ein kontinuierliches Batterieüberwachungssystem dar, das sich in Produkte und Systeme anderer Hersteller integrieren lässt. Der Quellcode, die Schnittstelleninformationen und Blockschaltbilder können eingesehen werden.

Zahlreiche Fehlerarten verändern den Erhaltungsladestrom erheblich, was zu einer erhöhten Zellentemperatur führt. Eine thermische Instabilität (Thermal Runaway) tritt relativ selten auf. Diese Instabilität kann in VRLA-Zellen häufiger auftreten als in Flooded-Cells. Mit der Überwachung des Erhaltungs-Ladestroms und der Zellentemperatur lassen sich erste Anzeichen dieses Vorgangs zuverlässig erkennen. Obwohl diese Anzeichen sehr nützliche Daten bereitstellen, werden sie in nahezu keinem Stromversorgungssystem verwendet.

Ein spezieller Messwandler für Erhaltungsladeströme auf Basis der Fluxgate-Technologie, der eine Auflösung von mehr als 10 mA bietet und nur eine geringe bis keine Temperaturdrift oder Hysterese nach einer Hochstromentladung aufweist wurde entwickelt. Diese Eigenschaft lässt sich entweder zusammen mit dem Sentinel-Sensor oder einzeln verwenden. Der Wandler adressiert die bereits seit längerem bekannten Probleme bestehender Lösungen, wie hohe Temperaturdrifts und Ungenauigkeiten nach hohen Strömen aufgrund einer Batterieentladung.

Die Messwandler überwachen beispielsweise das weltweit größte Batteriesystem, das 40-MW-Golden-Valley-Projekt in Alaska. Außerdem verfügt LEM über mehrere Patente auf dem Gebiet der Batterieüberwachung: für die fortschrittliche Analyse der Beschaffenheit von Bleiakkus und die nicht invasive Messung der Zelleninnentemperatur.

Der SoC-Baustein des Sentinel-Systems ist hochgenau. Dieser SoC-Baustein, der analoge, digitale und Steuerungsfunktionen einer Zelle und eines Monoblock vereint, wurde gemeinsam mit einem Chip-Hersteller entwickelt .

Das Batterieüberwachungssystem wurde an verschiedenen Einsatzorten europaweit einem Beta-Test unterzogen, um eine einwandfreie Funktion sicherstellen zu können. Für den Sensor wird eine Garantie von fünf Jahren gewährleistet.

Diese Fortschritte erhöhen die Zuverlässigkeit von Standby-Batteriesystemen erheblich und ändern die Rolle der Batterieüberwachung, die bisher als teure Zusatzoption erhältlich war und sich nur für hochkritische Applikationen rechnete. Nun sind kosteneffiziente, integrierte Life-Management-Systeme verfügbar, mit denen sich die Lebensdauer jeder VRLA-Batterie verlängern lässt.

Batterieüberwachung mit Sentinel-Sensor

Der Sensor misst die Zellspannung, die Innentemperatur sowie die interne Impedanz und liefert die Angaben zu Zellspannung und Temperatur auch bei Batterieentladung. Die Daten werden über einen eigenen Kommunikationsbus (S-Bus) an ein Überwachungs- und Kontrollsystem (OCS) übermittelt.

Microguard (oder Gateway) ist ein Überwachungssystem und Datenspeicher mit umfangreichen Parametern, um einen Alarm zu analysieren und Daten zu Speichern.

Überwachte Parameter: bis zu 250 Sentinels in 8 Strängen mit bis zu 20 für Lade- und Entladestrom. Alle Daten sind via RS232/485 oder Speicherkarte verfügbar.

  • Betriebsspannungsbereich: 1,5 bis 18 V
  • Temperaturmessbereich: -10 bis 70°C
  • Impedanzmessbereich: 0 bis 50 mΩ
  • Stromverbrauch bei 6 V: 20 mA
  • Stromverbrauch im Ruhemodus (6 V): < 3 mA

*Nigel Scott ist Technical und Business Development Manager bei LEM

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