„Robustes” BACS

BACS für Außeninstallationen

Die Verfügbarkeit von BACS als ATEX-Version löst auch ein anderes Anwendungsproblem – BACS für Outdoor-Installationen oder in rauen Industrieumgebungen.

Die ATEX-Gehäuse der Zone 2 sind nicht nur Explosionssicher, die hermetische Abdichtung aller elektrischen Komponenten durch das ATEX-Gehäuse macht BACS sogar „unter Wasser“ einsetzbar – oder eben auch in korrosiver Umgebung – welches als Anwendungsfall bei Batterien wesentlich häufiger der Fall ist als ein Betrieb unter Wasser ….
Grund für den Einsatz eines ATEX-Gehäuses in rauen bzw. aggressiven Atmosphären sind oftmals die unveränderlichen Bedingungen vor Ort. BACS wird eingesetzt in Eisenbahntunneln, Schiffen, U-Booten, Öl- und Gas-Industrie, Militärischen Einrichtungen und vielen anderen Anwendungen, in denen es oftmals unmöglich ist, die Betriebsbedingungen einzuhalten, für die Elektronik ausgelegt ist. Gerade weil in solchen Umgebungen nahezu ausschließlich Bleibatterien verwendet werden (wegen der geringeren Brandgefahr) sind solche Einsatzorte für BACS eher die Regel als die Ausnahme.
Die Tatsache, dass ein Standard-BACS auch elektrisch deutlich sicherer ist als jedes andere BMS am Markt bezieht sich jedoch auf die elektrische Sicherheit, wie Berührungsschutz und Vermeidung von Überhitzung oder Erzeugung von Funken. Dies reicht natürlich nicht für eine ATEX-Umgebung, aber es reicht auch nicht aus, um in den meisten unsauberen Umgebungen das Produkt zu betreiben. Nur weil BACS elektrisch sicherer ist als andere Produkte am Markt und in ATEX-Umgebungen auf eigenes Risiko des Anwenders verwendet wird bedeutet es nicht, dass dem System damit auch eine zu erwartende Robustheit für Industrieumgebungen und Outdoorbedingungen „zugeschrieben“ werden kann.
Die „Robustheit“ von BACS kommt an ihre Grenzen, sobald die Umgebungen zusätzlich korrosive Atmosphären enthalten – zum Beispiel ein Betrieb in wesentlich „aggressiverem“ Umfeld, in dem die natürlichen Korrosionsprozesse beschleunigt werden könnten.

Wir haben mehrere Anwendungsfälle vorgefunden, in denen BACS in Umgebungen eingesetzt wurde, die zwar noch innerhalb der BACS-Spezifikation für Temperatur und Feuchtigkeit lagen, wo jedoch zum Beispiel häufige Temperaturwechsel zu Kondensation führten.

Die Folge von Kondensation in eventuell kontaminierten Räumen (Schwefel, Salzkristalle) erzeugt eine aggressive Atmosphäre und damit Korrosion an allen exponierten Teilen, im Langzeitbetrieb auch an den durch Schutzlack geschützten Teilen. Das führte zum Teil zum Totalausfall der Module und verwendeten Kabel.

Die an uns zur Untersuchung eingesendeten BACS-Module und Kabel zeigten erhebliche Korrosionsspuren wie im Bild zu sehen. Selbst ohne Klimaregelung in andren rauen Industrieumgebungen waren uns solche Korrosionsspuren nach nur kurzem Einsatz im Feld bisher aus Europa und den USA unbekannt.

Unsere Untersuchungen haben ergeben, dass die BACS-Module (und auch alle Anschlusskabel) mit einem basischen Elektrolyten kontaminiert waren.

Die Frage zuerst war: Wie kommt Elektrolyt in ein BACS-Modul, wenn sich das Modul oberhalb des Einfüllstutzens des Akkus befindet?
Elektrolytaustritt in Batterieräumen ist selten und meist nur auf Nasszellen beschränkt. Die meisten solcher Leckagen sind ohne größere Folgen und treten in der Regel nur bei neuen Akkus auf, die noch niemals einen Zyklus (Entladung/Ladung) durchlaufen haben. Dieses ist den meisten Batterietechnikern bekannt, daher wird bei einer Kommissionierung grundsätzlich mindestens eine Entladung gefahren um den Elektrolytlevel danach überprüfen und eventuell korrigieren zu können. Wenn der Elektrolytlevel nach dem Zyklus korrekt eingestellt ist, sollten Leckagen wegen Überfüllung eigentlich nicht mehr auftreten. Sollte später dennoch erneut Elektrolyt austreten, dann sollte auch das keine Schäden auslösen, weil Nasszellen grundsätzlich ebenerdig installiert sein sollten oder sich bei Rack-Installationen eine Auffangwanne für Elektrolyt unter jeder Ebene befindet. Dadurch wird verhindert, dass austretender Elektrolyt nicht direkt auf darunter befindliche Akkus tropfen kann.
In dem Fall auf dem Bild oben war die Korrosion jedoch auch auf den BACS-Modulen zu finden die ganz oben im Rack angeordnet waren, dort wo eigentlich bei einem Austreten von Elektrolyten kein Kontakt stattfinden konnte. Dennoch waren die Module und Kabel auch auf der ersten Ebene erheblich kontaminiert und korrodiert.
Der Einsatz in höheren Temperaturbereichen hat kaum Einfluss auf BACS. Erfolgt allerdings eine Verbindung mit einer hohen Luftfeuchtigkeit und wechselnden Temperaturen folgt daraus Kondensation. Dies hat in gemäßigten Zonen ebenfalls kaum Folgen. Der Schutzlack auf der BACS-Platine schützt vor Staub und normaler Luftfeuchtigkeit. Dies gilt aber nur für die Bereiche, die auch vom Lack abgedeckt sind. Wenn die BACS-Module ständig erhöhter Feuchte ausgesetzt sind, sorgt dies für eine Korrosion, an den nicht vom Lack geschützten Bauteilen (Kabelbuchsen, Adressierungsschalter, Temperatursensor). Diese Korrosion kann schleichend sein und jahrelang nicht auffallen, wie mehr als 10 Jahre alte BACS-Installation in europäischen und amerikanischen Batterieräumen beweisen.

Allerdings ändert sich die Geschwindigkeit der Korrosionsprozesse erheblich, wenn Feuchtigkeit in einem Raum mit Batteriesäureresten immer wieder durch Kondensation neu entsteht!

Wechselnde Temperaturen bei hoher Luftfeuchtigkeit führen zur Kondensation. Bei jedem Kondensationsvorgang werden Elektrolytkristalle in der Umgebung gelöst und verteilen sich über die Luft im Raum. Diese in der Luftfeuchte gelösten Elektrolytsalze sorgen für eine aggressive Umgebung und damit erheblich schnellerer Korrosion an allen offen liegenden metallischen Teilen, viel mehr als in identisch kontaminierten Räumen OHNE solche Kondensation.
Fast alle Batterieräume mit Nasszellen sind über die Jahre mit Elektrolyten kontaminiert, welches bei gemäßigten Atmosphären kein Problem darstellt. Wird jedoch eine über die Luft kontaminierte metallische Oberfläche mit Feuchtigkeit benetzt, dann wird diese „rosten“, und das umso schneller, je mehr Feuchtigkeit und Wärme zugeführt wird.
Dieses korrosive Gemisch aus Luftfeuchtigkeit und Elektrolyt hat bei den von uns vorgefundenen BACS-Modulen die Adressierungsschalter zerstört, später auch LEDs und andere Bauteile und führte letztendlich zu einem Totalausfall des BACS-Moduls.
Solche Fälle von Korrosion an BACS-Modulen finden sich nicht in Rechenzentren oder anderen Batterieräumen für Nasszellen die normale Temperatur und Luftfeuchtigkeitswerte haben. Wohl aber in tropischen Regionen! Insbesondere dort, wo aufgrund der zu erwartenden Temperaturen NiCd Nasszellen eingesetzt werden.

Typischerweise sind Nasszellen in tropischen Umgebungen als besonders delikat zu behandeln, da es beim Nachfüllen der Zellen mit destilliertem Wasser, bei hoher Luftfeuchte zu einem besonders starken schäumenden Effekt kommt. Durch das Schäumen befindet sich meist erheblich mehr Elektrolyt im Raum als bei identischen Räumen ohne hohe Luftfeuchte. Dass die Luftfeuchte einen Unterschied macht, zeigt das nachfolgende Bild einer älteren Batterieinstallation: Am Fußboden des Batterieraumes sind erhebliche Säureschäden zu erkennen. Obwohl der Raum mit Elektrolyten erheblich kontaminiert ist, zeigen die BACS-Module auch nach über 15 Jahren dort im Einsatz keinerlei Korrosionsschäden!

Der Einfluss auf Temperaturen in Batterieräumen ist begrenzt möglich, aber solange Bleibatterien oder NiCd verwendet wird nicht besonders problematisch. Das ist einer der Hauptgründe für die Verwendung dieser Batterietechnik an solchen Orten.
Um Schäden an BACS oder anderer Elektronik in solchen Batterieräumen zu verhindern, sollte die Raumluft zumindest trocken gehalten werden. Das regeln Klimaanlagen automatisch, aber auch normale unkonditionierte Umgebungsluft macht keine Probleme, wenn Kondensation vermieden wird.  
Aber wenn BACS in tropischen Regionen eingesetzt wird - ohne Klimatisierung – und dann auch noch Nasszellen verwendet werden, bei denen wegen der hohen Temperaturen häufig mit Elektrolyten oder Wasser nachgefüllt werden muss, um die Verdunstung auszugleichen, dann ist die Wahrscheinlichkeit hoch, dass es bei solchen Umgebungen zur „Schaumbildung“ kommt – und dann ein erhöhter Korrosionsprozess einsetzen wird.

Wir empfehlen daher – sollte eine Kondensation (aus baulichen Gründen) nicht verhindert werden können:

1. Keine Nasszellen als Akkus einzusetzen: Die Verwendung von Nasszellen, insbesondere Nickel Cadmium Zellen, weisen eine hohe Robustheit bei existierenden erhöhten Temperaturen auf. Der Vorteil dreht sich aber in einen Nachteil um, sobald die Zellen in Umgebungen mit zusätzlicher hoher Luftfeuchte eingesetzt werden. Viele Kunden haben dies erkannt und setzen anstelle von Nasszellen auf Akkus aus Blei oder NiCd-Basis, nun „Reinblei VRLA Akkus“ oder bei Platzmangel auch Akkus mit Lithium Titan Oxid ein. Mit Reinblei-Akkus werden fast dieselben Temperaturbereiche erreicht, wie für NiCd-Akkus spezifiziert, bei erheblich geringeren Material- und Servicekosten. Das solche VRLA-Akkus auch fast kein Elektrolyt abgegeben, ist ein weiterer Vorteil für problematische Umgebungen.
2. Das BACS ATEX Modul: Sollte es unvermeidlich sein Nasszellen-Akkus zu verwenden und die Sensorik korrosiven Umgebungen auszusetzen, liefert das neue BACS ATEX Modul die optimale Lösung und sorgt für jahrzehntelangen Betrieb ohne Korrosion und daraus resultierend eine hohe Betriebssicherheit.