Anforderungen des Europäischen Parlaments
EU BattG 2024 – „Energy Throughput“

Als BACS vor 20 Jahren neu auf den Markt gekommen ist, stieß es bei Kunden mit hochkritischen Infrastrukturen sehr schnell auf großes Interesse. Innerhalb einer Dekade entwickelte sich BACS zu einer Schlüsseltechnologie für stationäre Batterien in besonders kritischen Bereichen und ist heute bei vielen internationalen Konzernen als „inoffizieller“ Standard für deren Systeme ausgeschrieben. BACS hat sich stark an die Anforderungen dieser hoch kritischen Kunden angepasst und ist inzwischen unangefochtener Marktführer in der EU und die Nummer 2 in den USA in diesem sensiblen Marktsegment.

BACS besitzt ein aktives Batterie-Management mit einer Balancing-Funktion, eine Technik die heute in der Lithium Batterietechnik zwingend verwendet werden muss, um diese Zellen stabil zu halten. Mit der Einführung dieser Technik auf von Blei- und NiCd-basierenden Zellen waren nach wenigen Jahren ebenfalls ähnliche positive Effekte zu verzeichnen. Balancing (oder „Equalizing“) sorgt auch hier für die Stabilität von Blei/Säure, NiCd und andere Chemiearten deren Zellen in Reihe geschaltet werden, um hohe Spannungen zu erzeugen. Genau wie bei Lithium-basierten Zellen gewährleistet BACS die „Gesundheit“ der Zellen - SOH (State-of-Health) und ermittelt den Ladezustand SOC (State-of-Charge).

Für unsere in der Lithium Technik versierte Kunden: SOP (State of Power) wird von BACS nicht gemessen. Dieser Wert ist nur für Lithium Zellen wichtig wegen deren spezieller Anfälligkeit für Schäden bei Tiefentladungen Überlastsituationen. Blei- und NiCd Akkus tragen keine bleibenden Schäden aus diesen Situationen, wenn diese nur kurzzeitig anliegen. Zusätzlich ist der Einsatz von Blei- und NiCds typischerweise für Notstromsituationen fokussiert so dass diese für Lithium gefährlichen Bereiche ohnehin nie erreicht werden.

Die Interpretation der Messwerte eines Akkusystems wird durch Balancing erheblich verbessert und bezüglich Impedanz eigentlich erst wirklich nutzbar: Balancing hält alle Zellen/Batterien eng innerhalb des „gesunden“ Spannungsfensters und erlaubt dadurch eine hochpräzise Impedanzmessung. Impedanzmessungen können auch andere BMS-Systeme ohne Balancing – ABER: Ohne Balancing sind Impedanzmesswerte anderer BMS-Systeme nicht vergleichbar, weil an unterschiedlichen Spannungen je Block/Zelle gemessen wurde!
Bei BACS werden die Impedanzen immer bei exakt gleicher Spannung gemessen – und damit erstmals vergleichbar! Ein Akku mit unterschiedlicher Impedanz „sticht“ nun deutlich aus der Masse der anderen heraus und zeigt dem Anwender eindeutig, wo das Problem liegt.

Das Resultat ist, dass BACS sowohl die Zuverlässigkeit als auch Langlebigkeit von nahezu jedem batteriegestützten USV-Konzept verifizierbar verbessern kann, das gilt für alle Chemiearten für Akkus die heute am Markt sind!
Unsere Referenzliste von BACS-Anwendern liest sich mittlerweile wie das „Who-is-Who“ der Industrie. BACS ist ein „Game Changer“ und die 1ste Wahl von Rechenzentren 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 Lithium-Zellen (Typ LTO), sowohl bei Erhaltungsladung als auch bei Intermittent-Ladeverfahren.

Die Batteriekapazität sagt viel über den Zustand der Zellen aus!

E-Autobauer haben interessante Lösungsansätze entwickelt, wenn es um das Entladeverhalten von Elektroautos geht: Verbirgt sich in den Batteriesträngen in einem Elektro-Fahrzeug eine defekte Zelle, muss man das Entladeverhalten und auch die Messmethode entsprechend anpassen, da ansonsten die Berechnung der Gesamtkapazität völlig unbrauchbare Schätzwerte ergibt. Sind mehrere Zellen defekt, muss der gesamte Batteriestrang „getrennt“ werden, um Brandgefahren zu reduzieren. Aus dem Grund hat jedes Elektroauto mehr Zellen als eigentlich für den Betrieb verwendet werden, ein Teil ist „Reserve“ und für den Fahrbetrieb nicht im Einsatz.

Bei Elektroautos müssen die Lithium-Systeme überdimensioniert werden, um kritische Situationen zu vermeiden und um die ausgefallenen Zellen ersetzen zu können, damit der SOC des gesamten Systems weiterhin die Mindestreichweiten liefern kann.

Das gilt auch für Lithium Zellen in USV-Anlagen!

In der Automotive-Industrie werden Zellen auf Lithium Basis mit extrem hoher Energiedichte verwendet, welche die Lade/Entlademethoden auf ein ganz anderes Niveau heben, als es in den meisten der heutigen USV-Anwendungen üblich ist. Besonders bei USV-Anlagen werden entweder einfachste Ladetechnik und herkömmliche Blei- oder NiCd basierende Akkus eingesetzt oder aber aufwendigste Ladetechnik und erheblich überdimensionierte Lithium-Akkus verwendet – und beide Techniken kämpfen mit dem Problem, dass es bei USVs fast nie zu Entladungen kommt, mit der man den State-of-Charge überprüfen und kalibrieren könnte. Bei einer USV werden daher alle Akkus immer als „Voll“ und als „Gesund“ angesehen, um eine Berechnung der Autonomiezeit und damit Kapazität simulieren zu können – welches extrem ungenaue Daten liefert, wenn nur eine Zelle nicht richtig funktioniert oder die Batterien anfangen zu altern. Den meisten USV-Anwendern ist diese Ungenauigkeit gar nicht bekannt - eine Entladung bei USV-Anlagen findet viel zu selten statt, um einen eventuell vorgegaukelten Messwert für SOC oder Autonomiezeit anzuzweifeln.
Da jeder dieser „simulierten“ SOC-Werte einer USV nur sehr aufwändig überprüft und korrigiert werden kann und für eine zuverlässige „State-Of-Health“-Herleitung und Trenderkennung auch noch regelmäßig wiederholt werden müsste, wird so ein Aufwand „Kapazitätstest“ nur in hochkritischen Rechenzentren oder militärischen Einrichtungen regelmäßig durchgeführt.

BACS liefert mit der Kapazitätsanzeige eine automatisierbare
und damit kostengünstige Lösung für sonst aufwendige „manuelle“ Kapazitätstests

Zusätzlich kann BACS - anders als ein Batteriemonitoring – einen notwendigen Austausch von Akkus „hinauszögern“, um z.B. ein Wartungsfenster zu erreichen.

• Balancing sorgt automatisch dafür, dass eine schwache Zelle im Verbund verbleiben kann, bis ein Austausch bei einem Wartungsfenster möglich ist. Eine Trendanzeige für die Impedanz zeigt, wie lange dieser Zustand voraussichtlich noch toleriert werden kann. BACS ist das einzige System, welches toleriert, dass ein neuer Akku mit anderen Impedanzen in ein solches älteres System eingebaut wird. BACS sorgt für das Zusammenspiel von alten und neuen Akkus und erspart einen sonst üblichen kompletten Austausch von Batteriesystemen.

• Wenn ein elektronischer Batterietrenner eingesetzt wird, dann kann BACS – identisch zu Lithium BMS-Systemen - den gesamten Strang mit der betroffenen Batterie automatisch abtrennen, um potentielle katastrophale Folgeschäden zu vermeiden. (Diese Funktion entspricht dem US Firecode und benötigt den optionalen „GXRAUX“ und einen elektronischen Batterietrenner)

Der SOH und SOC bilden die wichtigsten Messgrößen für den Betreiber eines Batterymonitoring Systems – wenn diese Daten fehlen, fehlt der eigentliche Sinn und Zweck eines solchen Produkts.

SOH - State of Health – BACS liefert was „Normen“ versprechen

Für die Ermittlung des SOH (State of Health) muss eigentlich jede Batterie mit einem individuellen Messgerät (mehrfach) bei einer Entladung vom Servicetechniker erfasst werden. Für die Bestimmung des State of Health werden dazu alle Batteriezellen im Neuzustand entladen – meist bis zu einer definierten Grenze (z.B. 10.5 Volt – Abschaltspannungsniveau vieler USV-Anlagen). Diese Entladung ergibt z.B. 10 Minuten im Jahr 1 der Inbetriebnahme, und definiert damit den Referenzwert für SoH bei 100%.

Diese Entladungen werden bei gleicher Last und gleichen Rahmenbedingungen jedes Jahr wiederholt und die Ergebnisse mit den Vorjahren verglichen. Wann letztendlich der optimale Punkt für den Tausch von Batterien ist, hängt stark von der verwendeten Batteriechemie und dem Nutzungsmuster ab, aber das Hauptproblem bleibt der enorme Personal- und Zeitaufwand zur Ermittlung dieser Daten.

Da BACS auf jeder Batterie ohnehin installiert wird, könnte diese material- und personalintensive zusätzliche Messung eigentlich entfallen. Alles, was BACS benötigt sind Entladungen, die entweder „von selbst“ auftreten (wegen Stromausfall) oder „manuell“ durch den Batterietechniker ausgelöst werden. Analysetools wie der BACS VIEWER erlauben eine schnelle und direkte Auswertung der aufgezeichneten Daten der Entladung und liefern direkt den SOC und SOH als Ergebnis und den direkten Vergleich mit den Daten einer früheren Entladung und damit um wieviel % die Laufzeit der Akkus in angegebener Zeitspanne abgenommen hat.

Als nächsten Schritt gilt es festzustellen die Ursache für den Kapazitätsverlust eine einzelne defekte Batterie ist oder ob alle Akkus wegen schlichter Alterung an Kapazität verloren haben?

Der BACS VIEWER liefert die Antwort: Bei der Entladung werden die Akkus angezeigt die vorzeitig kollabiert sind.

Es müssen nicht immer zwangsläufig alle Batterien getauscht. In diesem Fall kann durch Vergleich der Impedanzen der Akkus die kollabiert sind mit den anderen Akkus im System schnell erkannt werden ob die Altersgrenze erreicht ist – oder ob der Austausch nur einige Akkus die vorschnell gealtert sind ausreicht. Das Vorgehen beim Batterietausch kann individuell an die jeweilige Situation angepasst werden.

BACS als Batterie Management System bietet hier Kunden eine Freiheit in der Entscheidungsfindung an, die von einem Batterie Monitoring System nicht zu erwarten ist: Das aktive Management der Batterien nimmt bei schwachen Zellen/Blöcken den unmittelbaren Handlungszwang und erlaubt anhand der Messwerte fundierte Entscheidungen zu treffen und geplant umzusetzen.

Bei der Impedanz ist die Alterung der Akkus am deutlichsten zu erkennen.

Ein Akku, egal welche Chemieart, wird nach langer Zeit im „Standby“ eine steigende Impedanz zeigen. Ursache ist dabei nicht nur die Alterung oder Mängel am Akku, meist ist es einfach nur der Einfluss der Schwerkraft auf die unterschiedlich dichten Moleküle im mehr oder wenige flüssigen Electrolyt. Das wird schnell sichtbar, wenn man direkt nach einer Entladung die Impedanz fallen sieht, aber nur um binnen weniger Tage wieder auf den vorherigen Wert ansteigen zu sehen. Wenn der Impedanzwert aller Akkus sich entsprechend gleich verhält und sich nicht erheblich von den Messwerten anderer Akkus in diesem System unterscheidet – dann überwiegt die „natürliche Alterung“.

• Solange alle Akkus sich „gleich“ verhalten, ist von einem „normalen“ Alterungsprozess auszugehen und das Ende der Gebrauchsdauer (ca. 80% Kapazität) ist bei ca. 30% Impedanzanstieg über die Jahre erreicht.
• Wird bei einem oder mehreren Akkus mehr als 30% Impedanzanstieg über die Jahre ermittelt ist zu prüfen, ob diese Akkus bei einer Entladung auffällig sind, z.B. schneller als die anderen an Kapazität verlieren. In einem solchen Fall muss der Akku getauscht werden, wenn er nicht die Kapazität und damit den SoH der gesamten Anlagen gefährden soll. 

Neben der Spannung, Impedanz, Kapazität und deren historischen Entwicklung gibt es einen weiteren Parameter, der die Lebensdauer eines Akkus limitiert und damit den „SoH“ beeinflusst: Der Energy Throughput.

Der Energy Throughput / Energiedurchsatz wird auch im neuen EU-Batterie-Gesetz 2024 als Parameter zur Bestimmung des SoH beschrieben.

Der Energy Throughput ist im Prinzip eine Anzeige der aufkumulierten Entladungen über die gesamte Lebensdauer eines Akkus, also welche Mengen an Energy in Ah - insgesamt durch den Akku geflossen ist. Dahinter verbirgt sich der Wunsch zu ermitteln, wie viele Lade/Entladezyklen ein Akku durchlaufen hat. Je nach Chemieart verringert sich der SoH mit der Anzahl der Zyklen und zeichnet somit ab, wann ein Akku ersetzt werden muss. Wie bereits weiter oben aufgezeigt, ermittelt der BACS VIEWER bei jeder Entladung den Energy Throughput. Werden diese Werte aufkumuliert ergibt die Summe den Energy Throughput dieser Akkus im System.
Allerdings ist dieser Wert bei USV-Anlagen wegen der geringen Anzahl von Entladungen wenig sinnvoll. Ein USV-Akku kommt sehr selten auch nur in die Nähe seiner möglichen Anzahl von Zyklen, daher macht es kaum Sinn sich die Mühe zu machen die Werte aufzukumulieren. Für eine USV-Anwendung hat daher die Impedanz einen viel größeren Informationsgehalt als der Energy Throughput oder die Zyklenanzahl.
BACS ist ein „Echtzeit“ Monitoring und Batterymanagement System mit dem Ziel, die Betriebssicherheit zu überwachen und bei Erreichen von Grenzwerten zu warnen. BACS erlaubt es Trends zu ermitteln und sich so ein umfassendes Bild über den Zustand der derzeitigen Akkus im Vergleich mit älteren Daten zu machen. Zusätzlich sorgt BACS für eine Automatisierung von Batteriesystemen und eignet sich damit für das Management von extrem vielen Akkus mit minimalem Bedienpersonal. Für diese Aufgabenstellung ist der Energy Throughput wenig aussagekräftig.  
Aber dies ändert sich, wenn es sich um „Batterie Storage Systeme“ handelt, in denen der Zyklenbetrieb der „normale“ Betrieb ist. Da es bei ständigen Entladungen/Beladungen und Beladungen es kaum möglich ist die gemessenen Impedanzen zu vergleichen, wird hier die Anzahl der Entladungen – der Energy Throughput- als Messgröße für den „SoH“ herangezogen und determiniert die Akku-Nutzungsdauer. Für die Ermittlung des „Energy Throughput“ ist ein BACS-System oder anderes Netzwerk BMS „überqualifiziert“. Der SMARTLOGGER -bzw. wenn fest in eine Batterie eingebaut „SMARTBATTERY“ genannt, ist eine „Blackbox“ ähnlich einem Flugschreiber, der die wichtigsten Akkudaten aufzeichnet und den Energy Throughput extrem preiswert für jeden Akku ermittelt.