Lithium-Ionen-Batterietechnologien für sichere und langlebige DC-USV-Systeme im Vergleich

LiFePO₄-Zellen sind im Vergleich mit anderen Zellen unempfindlicher gegenüber Hitze. Ein Einsatz selbst bei Minus-Temperaturen ist möglich. Dieser Beitrag ist der Versuch einer Einordnung der Lithium-Ionen-Batterien für USV-Systeme.

Faktoren wie Baugröße, Leistungs- und Energiedichte, Temperaturbereich, Lebensdauer, Sicherheit sowie Initial- und Folgekosten spielen bei der Auswahl eines Energiespeichers eine wichtige Rolle. Im Wesentlichen sind folgende Energiespeicher für den Einsatz in DC-USV-Systemen relevant: Klassische Blei-Gel-Batterien, Reinblei-Zinn-Batterien (Cyclon-Zellen), Supercaps (Ultrakondensatoren), konventionelle Lithium-Ionen-Zellen (u.a. LCO und NMC) sowie Lithium-Eisen-Phosphat-Zellen (LiFePO₄).

Betrachtet man die verschiedenen Arten von Lithium-Ionen-Batterien, stellt sich die Frage, unter welchen Bedingungen die Verwendung dieser Batterietechnologie für DC-USV-Systeme sinnvoll erscheint und welche Vor- und Nachteile die unterschiedlichen Materialkombinationen aufweisen. Diese und weitere Fragestellungen beantwortet der vorliegende Beitrag und bietet Systementwicklern Entscheidungshilfen bei der Auswahl eines passenden Lithium-Ionen-Energiespeichers für unterbrechungsfreie Stromversorgungen.

Lithium-Ionen-Batterien – kompakt und leistungsfähig

Zur Energieversorgung von DC-USV-Systemen für längere Überbrückungszeiten (bis zu mehrere Stunden) kommen je nach Leistungsbedarf der Applikation meist Energiespeicher auf Blei- oder Lithium-Basis mit hoher Kapazität zum Einsatz. Als Nachfolger der herkömmlichen Blei-Schwefelsäure-Batteriechemie hat sich die Lithium-Ionen-Batterie durchgesetzt. Zwar sind diese Energiespeicher in der Anschaffung teurer als klassische Blei-Gel-Batterien, jedoch lassen sich mit Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion) besonders hohe Energiedichten mit einer Platz- und Gewichtseinsparung von bis zu 75% realisieren.

Lithium ist das leichteste Metall des Periodensystems und besitzt gleichzeitig ideale elektrochemische Eigenschaften für die Realisierung hoher spezifischer Energiedichten (Wh/kg). Ebenfalls vielfach größer als bei Blei-Gel-Batterien ist die Anzahl der Ladezyklen, die realisierbare Entladetiefe DoD (Depth of Discharge) sowie die Lebensdauer.

Neben zahlreichen weiteren Materialkombinationen haben sich unter anderem drei Kathodenmaterialien für Energiespeicher etabliert. Im Bereich der Eisenphosphate ist dies LiFePO₄ Lithium-Eisen-Phosphat (LFP), im Bereich der Lithium-Metalloxid-Verbindungen u.a. LiNiMnCoO₂ Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid (NMC) und LiCoO₂ Lithium-Kobalt-Oxid (LCO). Die verschiedenen Kathodenmaterialen entsprechender Lithium-Ionen-Batteriezellen bedingen neben unterschiedlichen Nennspannungen eine Vielzahl weiterer Eigenschaften wie die Netzdiagramme in Bild 1 zeigen.

Aufbau und Funktionsweise von Lithium-Ionen-Zellen

Eine Lithium-Ionen-Zelle (Bild 2) besteht vereinfacht gesagt aus einer Kathode und einer Anode, umgeben von einer extrem reinen und wasserfreien Elektrolyt-Flüssigkeit, die für den optimalen Transport der Lithium-Ionen verantwortlich ist (bei einem festen Elektrolyt spricht man von Lithium-Polymer-Batterien).

Die Anode besteht aktuell meist aus Kohlenstoff (C) in Form von Graphit zur Einlagerung der Lithium-Ionen aus dem Aktivmaterial der Kathode. Der mikroporöse Separator, der nur für die Lithium-Ionen durch­lässig ist, trennt die Kathode (mit Alu­miniumelektrode) elektrisch von der Anode (mit Kupferelektrode). Die beiden Elektroden werden beim Ladevorgang über eine Spannungsquelle verbunden, welche einen ex­ternen Elektronenfluss von der Kathode zur Anode in Gang setzt. Mit der Entfernung von Elektronen aus den Kathodenmaterial-Verbindungen beginnen sich die Lithium-Atome in der Kathode zu ionisieren. Die positiv geladenen Lithium-Ionen (Li⁺) lösen sich aus dem Verbund des Kathodenmaterials und diffundieren nun durch den Sepa­rator zur negativen Anode, verbinden sich mit den Elektronen wieder zu neutralen Lithium-Atomen und lagern sich in der molekularen Graphit-Schichtstruktur der Anode ein (LiC₆↔ C₆ + Li⁺ + e^–).

Beim Entladevorgang über einen angeschlossenen Verbraucher findet der Prozess der Elektronen- und Lithium-Ionen-Bewegung in umgekehrter Richtung statt und die durch den Ladevorgang aufgenommene Energie wird über den Entladestrom an den Verbraucher abgegeben.

Zyklenlebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien

Bei jedem Vollzyklus (Laden/Entladen) ist die Lithium-Ionen-Zelle chemischen, thermischen und mechanischen Belastungen (Ausdehnung) unterworfen, die eine Alterung der Zelle verursachen. Insbesondere das Laden mit hohen Strömen (Schnellladung) sowie bei tiefen Temperaturen kann zu Lithium-Plating an der Anode führen. Hierbei lagern sich die Lithium-Ionen nicht wie vorgesehen in die Graphit-Schichtstruktur der Anode ein, sondern werden an der Oberfläche der Graphitanode metallisch abgeschieden und führen so zu erheblichen Leistungseinbußen oder gar Kurzschlüssen innerhalb der Zelle.

Hohe Ladeschlussspannungen oder gar Überladung führt ebenfalls zu einer starken Wärmeentwicklung, Ausdehnung und Belastung der Lithium-Ionen-Zelle. Auf den Energiespeicher optimierte Lade- und Entladeprofile mit angepassten Ladeschlussspannungen und Entladetiefen (DoD) sowie der Einsatz eines Batterie-Management-Systems (BMS) schonen die Materialien der Lithium-Ionen-Zelle und sorgen für eine lange Lebensdauer. Hinsichtlich der Lagerung von Lithium-Ionen-Batterien sollten diese trotz der äußerst geringen Selbstentladung regelmäßig nachgeladen werden, um eine Tiefenentladung und die damit verbundene Destabilisierung der Zellchemie zu vermeiden.

Thermal Runaway bei Lithium-Ionen-Zellen

Bei der Auswahl eines Lithium-Ionen-Energiespeichers für DC-USV-Systeme empfiehlt sich ein genauer Blick auf das eingesetzte Kathodenmaterial, denn Lithium-Ionen-Technologie sorgt insbesondere in sicherheitstechnischer Hinsicht immer wieder für negative Schlagzeilen mit Bildern von brennenden Elektroautos oder schmelzenden Mobiltelefonen. Die hohe erzielbare Energiedichte aufgrund der elektrochemischen Vorteile von Lithium birgt u.a. auch ein erhöhtes Brandrisiko, weshalb Lithium-Ionen-Batterien besonderen Transport- und Luftfrachtbestimmungen unterliegen.

Gerade bei Zellen mit chemisch und thermisch instabilem Kathodenmaterial wie Lithium-Kobalt-Oxid (LCO) oder Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid (NMC) kann starke Wärmeentwicklung bei Überladung, ein interner oder externer Kurzschluss, mechanische Beschädigung, produktionsbedingte Verunreinigungen oder starke äußere Hitzeeinwirkung eine zellinterne exothermische chemische Reaktionen auslösen. Die freiwerdende Wärmeenergie erhöht die Reaktionsgeschwindigkeit der Zellchemie und lässt die zellinterne Temperatur weiter ansteigen. Dieser sich selbstbeschleunigende Prozess kann bei Überschreitung einer spezifischen Temperaturgrenze nicht mehr gestoppt werden. Diese Temperaturgrenze ist abhängig von der eingesetzten Zellchemie und beträgt beispielsweise 150 °C bei Lithium-Kobalt-Oxid (LCO). Es kommt zum Thermal Runaway (thermisches Durchgehen), was letztlich zum Brand oder zur Explosion der Zelle führen kann. Da der im Kathodenmaterial gebundene Sauerstoff in einem solchen Fall freigesetzt wird, ist ein derartiger Brand nur sehr schwer zu löschen.

Deshalb müssen Lithium-Ionen-Energiespeicher mit Schutzschaltungen gegen Übertemperatur (OTP), Überstrom (OCP), Überspannung (OVP) und Kurzschluss (SCP) ausgestattet sein sowie die direkte Einwirkung von Hitze und mechanische Beschädigungen der Zellen verhindert werden.

LiFePO₄ für sichere und langlebige Li-Ion-Technologie

Mit Lithium-Eisen-Phosphat (LiFePO₄) steht für das Kathodenmaterial eine stabile chemische Verbindung mit erhöhter Sicherheit zur Verfügung. Im Falle einer Überladung ist die entstehende Wärmeenergie wesentlich geringer als bei LCO/NMC-Zellen. Selbst beim Nageltest (interner Kurzschluss der Zelle durch Eindringen eines metallischen Körpers) ist ein thermisches Durchgehen der LiFePO₄-Zelle nahezu ausgeschlossen, da Lithium-Eisen-Phosphat im Fehlerfall nur wenig bis gar keinen Sauerstoff abgibt und die spezifische Temperatur für einen Thermal Runaway mit 270 °C wesentlich höher liegt als bei anderen Kathodenmaterialien.

Insgesamt sind LiFePO₄-Zellen wesentlich unempfindlicher gegenüber Hitze und selbst der Einsatz bei Minus-Temperaturen ist möglich. Der Temperaturbereich handelsüblicher LiFePO₄-Zellen erstreckt sich hierbei von –30 bis 65 °C. Wobei der Arbeitstemperaturbereich für die LiFePO₄-Batteriepacks der BP-LFP-Serie von Bicker Elektronik bewusst auf –20 bis 55 °C spezifiziert wurde: Einerseits ist bei extremen Minustemperaturen keine praktikable Ladung der Zellen mehr möglich. Andererseits erreichen die Zellen innerhalb eines Batteriepacks im Normalbetrieb bei einer Umgebungstemperatur von 55 °C aufgrund der Eigenerwärmung bereits eine Zelltemperatur von 65 °C (und würden somit bei höheren Umgebungstemperaturen überlastet).

Ein wichtiges Detail, welches man beim Produktvergleich von verschiedenen Zell- und Batteriepacks hinsichtlich der Temperaturangaben berücksichtigen sollte. Generell gilt in diesem Zusammenhang die RGT-Regel (Reaktionsgeschwindigkeit-Temperatur-Regel), welche besagt, dass sich die Reaktionsgeschwindigkeit einer chemischen Reaktion bei einer Temperaturerhöhung um 10 K mindestens verdoppelt. Übertragen auf Batteriezellen bedeutet dies vereinfacht formuliert, dass sich bei einer Temperaturerhöhung von 10 K die Lebensdauer der Komponenten halbiert. Deshalb sollten Systementwickler frühzeitig der Analyse und Optimierung des Temperatur- und Wärmemanagements einer Applikation besonderes Augenmerk schenken.

Aufgrund der etwas niedrigeren Zellspannung von 3,2 V ist die Energiedichte von LiFePO₄-Zellen zwar nicht ganz so hoch wie bei NMC/LCO-Zellen, jedoch wird dieser vermeintliche Nachteil bereits nach kurzer Einsatzdauer durch eine rund zehnfach höhere Zyklenfestigkeit (>3000 Lade- und Entladezyklen bei 80% der Anfangskapazität) mehr als ausgeglichen. NMC/LCO-Zellen altern zyklisch wesentlich schneller und weisen bereits nach ca. 300 Zyklen nur noch 80% der Anfangskapazität auf. Dahingehend relativieren sich die etwas höheren Initialkosten beim Einsatz von Lithium-Eisen-Phosphat.

Darüber hinaus verfügen Lithium-Eisen-Phosphat-Energiespeicher im direkten Vergleich zu anderen Lithium-Ionen-Batterien über eine höhere Leistungsdichte, was hohe Lade- und Entladeströme sowie eine erhöhte Impulsbelastbarkeit ermöglicht. Nicht zuletzt leistet LiFePO₄-Batterietechnologie durch den Verzicht auf giftige Schwermetalle wie Nickel oder dem seltenen Rohstoff Kobalt einen aktiven Beitrag zum Schutz von Mensch und Umwelt.

All diese Vorteile empfehlen Lithium-Eisen-Phosphat-Batteriezellen als sichere und besonders langlebige Energiespeicher für DC-USV-Systeme. Ausgestattet mit einem Hochleistungs-BMS entwickelte Bicker entsprechende LiFePO₄-Energiespeicher-Lösungen sowohl als geschrumpfte Batteriepacks BP-LFP als auch in einer DIN-Rail-Gehäusevariante BP-LFP-D (Bild 3). Zudem kommen die robusten LiFePO₄-Batteriepacks auch in der integrierten Outdoor-USV-Lösung UPSI-IP mit geschlossenem Aluminiumgehäuse und IP67-Schutz für extreme Umgebungsbedingungen zum Einsatz (Bild 4).

Ohne Batterie-Management-System geht es nicht

Gerade Lithium-Ionen-Energiespeicher benötigen hinsichtlich der Optimierung von Lebensdauer und Sicherheit zwingend ein BMS, welches entweder extern oder als integraler Bestandteil des Energiespeichers umgesetzt werden kann (Bild 5). Das BMS überwacht und steuert den kompletten Lade- und Entladevorgang jeder Batteriezelle des Energiespeichers (Bild 6):

• Batterietyp-Authentifizierung zur automatischen Einstellung der passenden Ladeschlussspannung (BMS übermittelt Batterie-ID an USV-Steuereinheit),

• Ladezustandsanzeige und SOC-Überwachung (State of Charge),

• Überwachung der Zellspannungen,

• Stromfluss-Überwachung,

• Battery-Health- und Zyklen-Monitoring,

• Temperaturüberwachung des Batteriepacks mit Abschaltung bei Über-/Untertemperatur,

• Schutz vor Über-/Unterspannung an den Zellen, Überstrom und Tiefenentladung sowie

• Trennung des Hauptstrompfades bei Kurzschluss.

Die wichtige Aufgabe der Cell-Balancing-Funktion

Eine weitere Kernaufgabe des BMS ist das Cell-Balancing. Innerhalb eines Energiespeichers werden zur Erhöhung der 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 7). Dies beeinflusst Lebensdauer, Zyklenanzahl und Kapazität des Energiespeichers negativ und kann letztlich sogar die Beschädigung des Batteriepacks hervorrufen.

Das Cell-Balancing (aktiv oder passiv) gleicht diese Unterschiede zwischen den einzelnen Verbund-Batteriezellen durch eine entsprechende Beschaltung aus und sorgt für eine ausgewogene und gleichmäßige Ladung aller Zellen, sodass die volle Kapazität des Lithium-Ionen-Batteriepacks nutzbar bleibt und keine kritischen Extremsituationen an einzelnen Zellen entstehen. Durch das übergeordnete Cell-Balancing kann die Lebensdauer des Batteriepacks entscheidend verlängert werden.

BMS mit Batterie-Relax-Modus verlängert Lebensdauer

Mit dem Batterie-Relax-Modus greift Bicker Elektronik die Problematik auf, dass in vielen DC-USV-Systemen das Batteriepack oft über sehr lange Zeit (ggf. über Monate) auf Ladeschlussspannung am Lader betrieben wird, 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. Zur Schonung der Zellen ist es daher notwendig, dass nach einer definierten Zeit der Lade-MOSFET bei Ladeschluss deaktiviert wird. 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.

System-Present-Funktion erhöht die Sicherheit

Bei der System-Present-Funktion bleibt der Ausgang des Batteriepacks solange deaktiviert (Ausgangsspannung = 0 V) bis dieser mit der DC-USV-Einheit verbunden und freigeschaltet wird. Da die Bauteile auf der BMS-Platine im Standby-Betrieb laufen, erhöht diese Stromsparfunktion die Lagerfähigkeit des (geladenen) Batteriepakets.

Fazit: Für den Einsatz in DC-USV-Systemen bieten sich Lithium-Ionen-Zellen als Energiespeicher mit hoher Energiedichte, einem weiten Temperaturbereich und einem sehr guten Preis-Leistungsverhältnis an. Kombiniert mit einem BMS ermöglicht die Lithium-Ionen-Technologie den Aufbau besonders leistungsfähiger und effizienter Energiespeicherlösungen, welche im Vergleich zu Bleibatterien eine enorme Platz- und Gewichtseinsparung ermöglichen und mit kurzen Ladezeiten überzeugen. Allerdings gilt es bei der Auswahl eines passenden Energiespeichers die Eigenschaften der verschiedenen Lithium-Ionen-Kathodenmaterialien genau zu betrachten. Neben konventionellen Lithium-Ionen-Zellen auf Basis von Lithium-Kobalt-Oxid (LCO) oder Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid (NMC) hat sich insbesondere Lithium-Eisen-Phosphat (LiFePO₄) als besonders robuste, sichere und langlebige Zellchemie etabliert. Mit einer 10-fach höheren Zyklenanzahl im Vergleich zu LCO/NMC und einer niedrigen Total Cost of Ownership (TCO) bieten LiFePO₄-Energiespeicher optimale Langzeiteigenschaften mit geringem Wartungsaufwand und einem hohen Maß an Investitionsschutz und funktionaler Sicherheit.

Weiterführendes Whitepaper kostenlos verfügbar

Das Whitepaper „Auswahl der richtigen Batterietechnologie für langlebige und sichere DC-USV-Systeme“ von Bicker Elektronik (Bild 8) zeigt detailliert die technologischen Unterschiede und Auswahlkriterien für Energiespeicher auf. Supercaps, Lithium-Eisen-Phosphat-Zellen (LiFePO4), konventionelle Lithium-Ionen-Zellen (LCO/NMC), Reinblei-Zinn- sowie klassische Blei-Gel-Batterien werden hinsichtlich zahlreicher Parameter verglichen, u.a. 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.