GENEREX BACS liefert als erster Hersteller eine Batteriekapazität (P_SoC – Periodic State of Charge) auch für USV- und Batterie-Anlagen mit „Intermittent Charging“!

BACS ist seit 19 Jahren die Schlüsseltechnologie für das aktive Management von stationären Batterien. Mit Balancing (oder „Equalizing“) wird die Stabilität von Blei-Säure-Batterien, NiCd oder Lithium (LTO/LiFePo) basierten Zellen gewährleistet und die „Gesundheit“ der Zellen - SOH (State-of-Health) – bei korrekter Überwachung der Messwerte / Alarme - auf dem höchsten Niveau gehalten.

Auch die Interpretation der Messwerte eines Akkusystems werden durch Balancing erheblich verbessert: Balancing hält alle Zellen/Batterien eng innerhalb des „gesunden“ Spannungsfensters und erlaubt dadurch eine hochpräzise Impedanzmessung, wodurch die Impedanz-Messwerte untereinander optimal verglichen werden können.

Erst mit Balancing liefern Impedanzmessungen sinnvolle Ergebnisse, da die Impedanz-Messwerte untereinander verglichen werden können!

Das Resultat ist, dass BACS sowohl die Zuverlässigkeit als auch Langlebigkeit von nahezu jedem batteriegestützten USV-Konzept verifizierbar verbessern kann. Unsere Referenzliste von BACS-Anwendern liest sich wie das „Who-is-Who“ der westlichen Industrie. BACS ist ein „Game Changer“ in der Industrie und die 1ste Wahl der Rechenzentrenbetreiber der westlichen Welt!

Seit 2021 liefert BACS eine prozentuale Kapazitätsanzeige (SoC – State of Charge) für jeden bleibasierenden Akku, seit 2022 auch für NiCd-Akkus und auch für Lithium-Zellen, Typ LTO.

Die von BACS ermittelte Kapazitätsanzeige ist dabei fast so gut wie die Ergebnisse von wesentlich aufwendigeren Messmethoden, wie z.B. der „Strom-Bilanzierung“. Dies machen unter anderem auch die neuen, wesentlich genaueren Stromsensoren von BACS Typ CSHxxx der 5ten Generation möglich (Lesen Sie dazu unseren Artikel über Stromsensoren in diesem Newsletter).

Das Problem mit der Batteriekapazität:

Die große Schwierigkeit den „ State-of-Health“ zu ermitteln, um den unerkannten Ausfall eines Akkus zu erkennen führt zu Berechnungsproblemen des „State-of-Charge“. Verbirgt sich lediglich ein einziger defekter Akku in einem Batterie-Strang und eine Entlademöglichkeit wie bei einem Elektroauto unmöglich ist, dann wird dieser defekte Akku die Gesamtkapazität massiv beeinflussen und macht jede Berechnung unsicher. Gerade bei USV-Anlagen gibt es fast nie Entladungen mit der man den State-of-Charge überprüfen und kalibrieren könnte. Bei einer USV müssen daher alle Akkus immer als „Voll“ und als „Gesund“ angesehen werden und jede Berechnung der Kapazität ist daher sehr ungenau.

Bild:  CSHxxxF Generation 5 –
 “F” für „flexible“ Installationen.
Auch als traditionelle DIN-Schienen-Version und als Erdschluss-Sensor erhältlich.

Den meisten USV-Anwendern ist diese Ungenauigkeit nicht bekannt, weil eine Entladung bei USV-Anlagen einfach zu selten stattfindet.
Nur bei hochkritischen Rechenzentren oder bei militärischen Einrichtungen wird versucht die mangelhafte oder fehlende USV-Kapazitätsanzeige durch regelmäßige Kapazitätstests zu ermitteln und damit den „State-of-Health“ zu überprüfen. Bei solchen Tests wird dann auch der „State-of-Charge“ gemessen und oft eine massive Abweichung festgestellt, ohne den Grund dafür zu kennen.

Genau hier liefert BACS den entscheidenden Hinweis: Im Bild rechts ist eine BACS-Anlage mit einer USV im „Intermittent Charging“ Mode während der Ladepause zu sehen. Es werden 2 Akkus im Strang mit weniger Kapazität erkannt (orange). Dies gibt dem Anwender durch Akku-Ersatz die Möglichkeit, wieder die optimale Kapazität aus der Anlage herauszuholen! Ohne Kapazitätsanzeige wäre dieses Problem vermutlich übersehen worden.

Aber auch ohne einen Akkutausch kann BACS in Batterieanlagen durch regelmäßige Vergleichstests immer „mehr“ aus den Akkus herausholen, als identische Batterieanlagen ohne BACS. Aber diese Kapazitätserhöhung galt bisher nur für USV-Anlagen die eine Form der „Erhaltungsladung“ betreiben!

Sobald USV-Anlagen „Intermittent Charging„ anwenden konnte auch BACS die Batteriekapazität nicht mehr ermitteln, da kein Balancing mehr aktiv ist!

Erklärung:

Wenn die USV aus der Starkladung in die „Ruhepause“ geht, dann wird ein 12 V-Akku nach einigen Stunden von 13.60 Volt auf die Ruhespannung absinken - je nach Chemieart von ca. 12.50-12.80 Volt. Dies bedeutet nicht, dass der Akku „fast leer“ ist, er kann fast voll oder fast leer sein. Alles dazwischen ist möglich. Die Spannung des Akkus hat in der Ruhespannung keinen Aussagewert über die Kapazität!

Bisher konnte BACS in so einem Fall des „Intermittent Charging“ kein Balancing durchführen und somit auch keine Batteriekapazität ermitteln.

Neu ist, dass mit der Firmware 2.14 BACS nun auch eine gute Batteriekapazität des  „P-SoC“ ermitteln kann, trotz des Intermittent Charing! 

Viele USV-Hersteller kämpfen seit Jahren mit Bleiakkuproblemen in ihren Geräten. Obwohl die USV-Ladegeräte korrekt auf den Batterietyp eingestellt sind, kommt es wegen der Spannungsunterschiede im Laufe der Zeit zu Unterladungen und daraus folgend zu Überladungen von einzelnen Zellen/Blöcken und damit zu einer schleichenden Kettenreaktion, die zu Ausfällen von Akkus führt.

Wenn kein BACS installiert ist bzw. kein Balancing diese Unterschiede in der Spannung ausgleichen kann, dann wird die Hälfte der Akkus irgendwann unterladen und die andere Hälfte ständig überladen. Dies führt bei Überladungen zu „aufgeblasenen“ Akkus und zu erheblichen Problemen beim Akkuaustausch – der Batterietechniker muss in extremen Fällen die Akkus mit Hammer und Meißel aus der USV „operieren“ weil sich diese zu stark ausgedehnt haben.

Um diesen Effekt zu vermeiden
 gehen die USV-Hersteller verschiedenen Wege:

• Einige bieten auf Lithium basierende Akkus anstelle von Blei-Akkus an:Dies ist riskant, teuer und nicht zu empfehlen, wenn es sich um stationäre Systeme handelt. Lithium-Akkus sind sicherlich kleiner und liefern mehr Autonomiezeit als gleich große Bleiakkus, aber ohne ein BMS mit Balancing sind solche Akkus nicht sicher zu betreiben. Der Einsatz von Lithium-Akkus ist nicht nur erheblich teurer als der von Blei-Akkus sondern ist im Fehlerfall „Brandgefährlich“ und damit mehr als ungeeignet für den Einsatz in stationären USV-Anlagen.
• Andere USV-Hersteller installieren BACS mit Balancing:Eine ideale Lösung - allerdings nur möglich wenn „Platz“ für die Installation des BACS-Moduls vorhanden ist oder eine „SMARTBATTERY“ eingesetzt wird.
• Eine weitere „Methode“ der USV-Hersteller ist die ideale Ladespannung leicht abzusenken:Wenn der Akkuhersteller 13.60 Volt bei 25°C vorgibt, dann liefern manche USV-Hersteller nur 13.45 Volt und vermeiden damit eine Überladung. Sie verlieren dadurch allerdings Kapazität - und nach längerer Zeit in diesem Betrieb ihre Zuverlässigkeit.
• Eine beliebte Methode der USV-Hersteller ist „Intermittent Charging“:Die Ladespannung wird wochenlang komplett abgeschaltet und nur zeitweise wieder zugeschaltet. Diese Funktion verbirgt sich z.B. bei EATON unter dem Namen „ABM“. Beim „intermittent charging“ wird nach einer Starkladung die sonst übliche Erhaltungsladung solange abgeschaltet, bis die USV anhand der Strangspannung erkennt, dass die Selbstentladung nach einigen Wochen eine Grenze erreicht hat. Daraufhin schaltet sich der Lader wieder zu und nach der neuen Starkladung folgt wieder eine längere Pause.

„Intermittent Charging“ hat jedoch 3 generelle Probleme:

1. Durch die lange Pause zwischen den Starkladungen kann es passieren, dass einzelne Akkus unbemerkt in eine Tiefentladung rutschen. Dies erkennt die USV nicht, weil andere Akkus den Spannungsverlust kompensieren, insbesondere wenn sich viele Akkus in einem Strang befinden, wie dies bei modernen USVs mit hohem Wirkungsgrad der Fall ist. Kommt dies häufig vor ist spätestens nach 5-6 Jahren die Wahrscheinlichkeit hoch, tiefentladene Akkus mit zu vielen Ladezyklen im Strang zu finden.
2. Die USV wird „unzuverlässig“: Nach längerem „Intermittent Charging“-Betrieb können sich einige Akkus an der unteren Spannungsgrenze befinden und sulfatieren. Die Sulfatierung verhindert, dass im Falle eines Stromausfalls genug Energie geliefert werden kann. Die Spannung an diesen Akkus sinkt bei Belastung für wenige Sekunden massiv ab. Betrifft dies viele Akkus, dann sinken diese eventuell kurzzeitig unter die Abschaltspannung (Battery Low) der USV von ca. 10 Volt und die USV schaltet sich direkt nach dem Stromausfall aus. Beim 2ten „Versuch“ funktioniert die USV wieder einwandfrei, weil sich die Akkus durch die nachfolgende Ladephase wieder teil-regeneriert haben – Der Anwender traut nun dem USV-Gerät nicht mehr.
3. Das dritte Problem ist, dass bei Batterien die mittels „intermittent charging“ geladen werden es nicht möglich ist, die Batteriekapazität halbwegs sinnvoll zu messen und anzuzeigen. Den meisten USV-Anwendern ist es vermutlich noch nie aufgefallen, dass es bei USV-Anlagen oft keine Batteriekapazitätsanzeige gibt. Der Grund ist, dass man gerade bei dieser Lademethode keine Aussage treffen kann wie „voll“ der Akku geladen ist, wenn dieser sich in der Ruhespannung von ca. 12.5 Volt befindet. Der Akku kann bei 12.5 Volt einen Ladezustand zwischen 40% und 100% besitzen, viel zu ungenau für eine Anzeige der Kapazität und damit der verbleibenden Laufzeit.

Auch mit BACS konnte bisher die Kapazität bei dieser Ladetechnik nicht zufrieden stellend ermittelt werden. Bei einem Akku in Ruhespannung fließt zu wenig messbarer Strom aus dem Akku und die natürliche Selbstentladung wird nicht mehr kompensiert. Damit konnte auch BACS bisher nicht umgehen und USV-Anlagen mit diesem Ladeprinzip mussten entweder auf normales „Float Charging“ (ABM ausschalten) umgestellt werden oder mussten auf BACS Balancing verzichten und hatten dadurch nur noch reines Batteriemonitoring – ohne wirklichen Mehrwert gegenüber einer Anlage ohne BACS. Mit FW 2.14 kann BACS wieder mit einem erheblichen Mehrwert aufwarten, auch bei ABM- „intermittent charging“ Systemen.

Weltneuheit!
Ab Firmware 2.12 kann BACS auch bei „intermittent charging“-Betrieb einen sinnvollen Messwert für die Batteriekapazität liefern!

Die Grundlagen für dieses neue Messprinzip wurde in Zusammenarbeit mit dem Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie BMWI entwickelt. Im Projekt „Heim BMS“ wurde dies erforscht und erprobt und hier erstmals in einem Produkt angewendet. GENEREX ist Teilnehmer an diesem Forschungsprojekt „Heim BMS“ und das Ergebnis unserer Forschungen sieht man nun hier:

Im BACS-Bildschirm rechts sieht man 3 Reinblei-Akkus bei 12.84 Volt. Die Akkus befinden sich in der „Ruhephase“ und damit für BACS in einem „unbekannten Ladezustand“. Es fließt keine Erhaltungsladespannung und der Anteil des Stroms der aufgrund der natürlichen Selbstentladung entnommen wird ist zu niedrig, um es messen zu können.

BACS fehlen damit wichtige Parameter für die Ermittlung des Ladezustands.

Man könnte annehmen, dass diese 3 Akkus bei 12.84 Volt nicht voll sind. Die neue BACS-Firmware weiss es besser!
Wenn man mit der Maus über die Spalte „Charge [%]“ fährt, erscheint ein blaues Feld welches die aktuell angewendete Messmethode zeigt.

Bei „Float Charging“ erscheint „Mode: Float“. Wenn „Intermittent Charging“ erkannt wurde, erscheint hier "Mode: Idle", hier gelb markiert.

BACS hat hier erkannt, dass „Intermittent Charging“ vorliegt und ermittelt nun trotz nur 12.84 Volt eine 100% Kapazität. Bei den gleichen Akkus unter Float Charge Mode würden 100% mindestens 13.5 Volt benötigen. In beiden Fällen werden von BACS 100% als Ladezustand ermittelt.

BACS ermittelt korrekt bei beiden Ladeverfahren den vollen Ladezustand von 100% trotz massiver Spannungsunterschiede!

Noch deutlicher wird es, wenn die Batterien nach einigen Wochen Ruhephase noch weiter abgesunken sind: (Siehe nachfolgender BACS-Bildschirm)

Die Spannung der Akkus hat sich in den 2 Wochen Ladepause nur wenig geändert (Von 12.84 Volt nun auf unter 12.59 Volt). Von der Spannung her gesehen könnte man annehmen, dass die Akkus fast leer sind – aber BACS zeigt weiterhin einen sehr guten Ladezustand von über 90% an.

=> BACS erkennt beim Intermittent Charging, dass sich die Kapazität auch nach 2 Wochen Ladepause nur wenig geändert hat und zeigt das korrekt an!

GENEREX ist stolz darauf mit BACS das erste BMS am Markt zu haben, dass die Batteriekapazität „P-SoC“ auch bei „Intermittent Charging“ ermitteln kann!