USV-Know-how: Akkus für unterbrechungsfreie Stromversorgungen

Wer schon einmal eine unterbrechungsfreie Stromversorgung, kurz USV, in den Händen gehalten hat, wird sich an eine maßgebliche Eigenschaft erinnern: das Gewicht. Bei kleineren Anlagen bis etwa 3 kVA sind die Akkus in der Regel mit im Gehäuse verbaut. Und weil nach wie vor Bleiakkus als wichtigste Technik zum Einsatz kommt, ist das resultierende Gewicht beachtlich.

Die meisten Kunden kennen die Akkus in der USV nur als Kostenfaktor beim Wechsel, der meist nach drei oder fünf Jahren fällig ist. Neue Akkutechniken liefern einen wichtigen Beitrag, damit die Akkus möglichst lange ihre Speicherkapazität behalten und die Wechselzyklen anwachsen. Umgebungsbedingungen, die Ladetechnik, Art der Lagerung und Wartungsintervalle üben jedoch einen starken Einfluss auf die Lebensdauer und Leistungsfähigkeit von Akkus aus.

Auch wenn eine aktuelle USV mit jeder Menge Computertechnik voll gestopft ist, die Batterietechnik scheint aus der Steinzeit zu stammen. Das Prinzip des Bleiakkus ist seit über 200 Jahren bekannt, 1801 unternahm der Physiker Johann Wilhelm Ritter die ersten Versuche mit auf Blei, Kupfer, Zinn oder Zink basierenden Akkumulatoren.

1854 stellte der deutsche Arzt Josef Sinsteden zwei Bleiplatten in ein Gefäß mit verdünnter Schwefelsäure. Durch ständiges Laden und Entladen entstand daraus ein Bleiakkumulator, der bereits eine nennenswerte Kapazität besaß. Die ablaufenden chemischen Reaktionen entsprachen den heute üblichen Vorgängen in Bleiakkus und werden später noch genauer erläutert.

15 Jahre später verbesserte der Franzose Gaston Planté die Anordnung der Bleiplatten, an der sich bis heute nicht allzu viel geändert hat. Allerdings war der Weg zum industriell einsetzbaren Akku noch weit. Die Elektroden der Planté-Batterie bestanden wie bei Sinsteden aus Bleiblechen, die durch wiederholte Lade- und Entladevorgänge zu Anode und Kathode formiert wurden.

Um 1881 entwickelten A. C. Faure und E. Volckmar unabhängig voneinander pastierte Gitterplatten, die mit Bleipulver und Schwefelpaste bestrichen waren. Damit hatte der Akku schon nach der ersten Ladung eine hohe Kapazität. Kurz danach entwickelte Henri Tudor um 1886 den ersten technisch einsetzbaren Bleiakkumulator.

Funktionsprinzip von Bleiakkus

Ein Bleiakkumulator besteht im aufgeladenen Zustand am positiven Pol aus Bleioxid (PbO₂), am negativen aus fein verteiltem, porösem Blei (Bleischwamm). Um Kurzschlüsse zu vermeiden, befindet sich zwischen den Elektroden ein Separator, zum Beispiel aus perforiertem, gewelltem PVC oder Polyäthylen. Als leitender Elektrolyt dient 37-prozentige Schwefelsäure (H₂SO₄).

Während der Leistungsabgabe wandeln sich die Materialien beider Pole um, bis sie im entladenen Zustand beidseitig aus Bleisulfat (PbSO₄) bestehen. Die Schwefelsäure liefert die dazu nötigen Sulfat-Ionen. Bei der Entladung wird die Schwefelsäure verbraucht, und es entsteht zusätzlich Wasser. Daher kann man über die Konzentration der Schwefelsäure im Elektrolyt den Ladezustand bestimmen. Beim Laden laufen die Prozesse dann in umgekehrter Richtung ab, bis der Ausgangszustand wieder erreicht ist.

Ver- oder geschlossen

Leser über 30 erinnern sich vielleicht noch: In neu gekaufte Autobatterien musste man die Schwefelsäure noch selbst einfüllen. Dafür gab es kleine Schraubverschlüsse über den Zellen der Batterie. Diese Bauform, die heute an Bedeutung verloren hat, nennt man “geschlossen”.

Ganz geschlossen ist dieser Akkutyp dennoch nicht: In den Schraubverschlüssen sind kleine Entlüftungsöffnungen eingearbeitet, über die das bei der Ladung in minimalen Anteilen entstehende Knallgas entweichen kann. Den dadurch auftretenden Wasserverlust muss man regelmäßig über die Schraubverschlüsse ergänzen. Etwa ein Drittel der verkauften Akkus fällt noch in diese Gruppe der geschlossenen Akkus.

Der Rest gehört zum Typ “verschlossen”. Er wird vor allem bei kleinen und mittleren USV-Anlagen eingesetzt. Verschlossene Akkus sind entweder als Vlies- oder Gel-Batterie ausgeführt. Bei Letzterer wird der Elektrolyt durch Kieselsäure oder eine andere Chemikalie von der flüssigen in eine halbfeste Form umgewandelt. Vlies-Ausführungen nutzen ein saugfähiges Gewebe im Inneren, um den Elektrolyten zu binden.

Größter Vorteil der verschlossenen Akkus ist deren Lageunabhängigkeit. Dadurch kann man sie in kleinen USVs auch liegend betreiben. Auch beim Einsatz auf Schiffen und in Flugzeugen bietet ihre Lageunempfindlichkeit erhebliche Vorteile.

Egal ob geschlossen oder verschlossen: Wegen der hohen Spannung von 2,4 Volt pro Zelle entstehen bei der Ladung von Bleiakkus durch die Elektrolyse von Wasser stets geringe Mengen an Sauerstoff und Wasserstoff. Durch einen speziellen Aufbau gelingt es weitgehend, dieses Knallgas katalytisch wieder in Wasser zu verwandeln. Bringt man zudem noch die Wasserstoffproduktion hemmende Chemikalien in den Elektrolyten ein, muss über die Lebensdauer kein Wasser nachgefüllt werden. Dieser Typ wird auch als wartungsfreier Bleiakku bezeichnet.

Praxisprobleme mit der geschlossenen Bauform

Allerdings sorgt die verschlossene Bauform durch ihre weitgehende Dichtheit für neue Schwierigkeiten. Es gibt zwar ein Überdruckventil, das Knallgas ab einem bestimmten Druck nach außen entlässt. Doch in der Praxis sieht man häufiger Akkus, die sich im Lauf der Lebensdauer aufgebläht haben.

Ursache ist meist eine falsche Ladetechnik mit zu hoher Spannung oder die Nichtbeachtung der Temperatur bei der Ladung. Wenn dann auch noch das Ventil versagt oder zu spät auslöst, quellen die Plastikgehäuse nach oben und an den Seiten auf. Meist halten zwar die Batteriegehäuse dicht, doch die Techniker stehen beim Austausch der Akkus vor einer echten Herausforderung. Bei kleinen USV-Anlagen ist der Einbauschacht nur geringfügig größer als der Akkus selbst. Häufig muss die komplette USV zerlegt werden, um einen defekten Akku auszubauen.

Läuft auch noch der Elektrolyt aus, tropft er auf die elektrischen Kontakte und Kabelschuhe. Diese fangen dann recht schnell zu korrodieren an. Das Fatale: Der Prozess ist nicht aufhaltbar. Daher müssen alle Kabel, Akkus und sonstige Bauteile, die mit der Schwefelsäure in Berührung gekommen sind, sofort ausgetauscht werden.

Die Mechanik spielt auch in anderen Bereichen eine Rolle. Bei mittelgroßen Anlagen ab 50 kVA ist es wichtig, dass die Wartungstechniker gut an die Akkuregale kommen und diese immer ausreichend belüftet werden. Schubladen oder Schlitten für Akkusätze, wie sie beim USV-Hersteller Newave zum Einsatz kommen, ermöglichen schnellen Service und beugen Unfällen mit den schweren Blöcken vor. Bei kleineren Anlagen zahlen sich genaue Verkabelungsanleitungen der Akkus ebenso aus wie in die Trägerplatten eingestanzte, exakt Anweisungen, wo der Plus und wo der Minuspol des Akkus zu sein hat. Im Ernstfall, wenn man schnell einen defekten Akku tauschen will, sind solche eigentlich banalen Anweisungen Gold wert.

Blei statt Hightech

Schlimmer als ein Auslaufen von Bleiakkus ist das sogenannte “thermische Durchgehen”, das durch eine fehlerhafte Ladeelektronik ausgelöst wird. Dabei wirken Ladespannung und Umgebungstemperatur so zusammen, dass im Inneren des Akkus eine unkontrollierte Zersetzungsreaktion beginnt. Diese erzeugt selbst Wärme und beschleunigt die Zersetzung. Der Effekt kann sich bis hin zur Explosion des Akkus aufschaukeln.

Andere Akkutechnologien sind allerdings noch empfindlicher gegen das thermische Durchgehen. Lithium-Ionen-Akkus (Li-Ion) haben in den letzten Jahren immer wieder zu Rückrufaktionen bei Notebook-Akkus geführt. Bei Lithium-Polymer-Ausführungen droht diese Gefahr schon durch höhere mechanische Beanspruchung. Daher konnten sich Lithium-Akkus trotz ihrer vier- bis fünfmal höheren Energiedichte bei USVs nicht durchsetzen. Nickel-Cadmium- oder NiMH-Akkus bieten zwar auch deutlich höhere Energiedichten als Bleiakkus mit ihren 33 Wh/kg. Allerdings erfordern sie eine komplett andere Ladetechnik.

Zu guter Letzt spricht aber der Kostenfaktor gegen moderne Akkutechnologien. Umgerechnet auf die Energiedichte kosten alternative Zellentechnologien zwei bis drei Mal so viel wie geschlossene Bleiakkus. Verglichen mit verschlossenen Bleiakkus landet man gar beim fünffachen Preis.

Bewährte Technik siegt also, zumindest für den Moment, über brandaktuelle Neuentwicklungen. Den Kunden, die eine USV einsetzen wollen, ist die Art der verwendeten Stromspeicher ohnehin egal. Was in puncto Akku zählt, sind der Wartungsaufwand und die damit verbundenen Kosten.

Lebensdauer der Akkus

Wichtig für die Wartungskosten ist die vom Akkuhersteller angegebene Lebensdauer. Akkus werden in unterschiedliche Klassen eingeordnet, meist nach den von der Eurobat-Organisation 1992 herausgegebenen Kriterien. Sie definieren die Kategorien “Standard-Commercial” mit drei bis fünf Jahren, “General-Purpose” mit sechs bis neun Jahren, “High-Performance” mit zehn bis zwölf Jahren und “Longlife” für Lebensdauern von zwölf Jahren und darüber.

Angegeben wird die Lebensdauer aber nur für die Nenntemperatur von 20 Grad Celsius. Allerdings ist die Umgebungstemperatur in den meisten IT-Umgebungen deutlich höher. Wie stark eine erhöhte Temperatur auf das Wartungsintervall einwirkt, zeigen Untersuchungen in der Eurobat-Spezifikation. Schon bei zehn Grad Celsius mehr reduziert sich die Lebensdauer um den Faktor 2. Auch eine Testreihe des Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie (ZVEI), Fachverband Batterien, kommt zu sehr ähnlichen Ergebnissen.

Zu niedrige Temperaturen müssen natürlich auch vermieden werden, wie jeder weiß, dessen Fahrzeug im Winter Probleme beim Starten hat. Im Prinzip ist ein bleibender Schaden aber nur beim Gefrieren des Elektrolyts zu befürchten. Doch die Leistung sinkt bei Temperaturen um den Nullpunkt drastisch. Lithium-Ionen-Akkus reagieren noch empfindlicher auf Minusgrade und auch Akkus mit Nickelanteil verhalten sich in dieser Temperaturregion keinesfalls besser. Im IT-Umfeld tritt das Temperaturproblem aber allenfalls bei Notebooks und PDAs auf.

Langsamer altern

Dass Bleiakkus altern, liegt an

• der inneren Korrosion der Bleigerüste der Elektroden,

• der Entstehung von feinen Kurzschlüssen und

• der Sulfatierung des Bleis.

Diese Sulfatierung bewirkt, dass sich die PbSO₄-Kristalle zu immer größeren Verbünden zusammenketten. Die elektrochemisch aktive Oberfläche des PbSO₄ verringert sich dadurch. Wegen der nun kleineren Oberfläche löst sich das PbSO₄ immer schlechter, es dauert dementsprechend länger, bis eine hinreichend hohe Konzentration an Pb²⁺ vorliegt. Zudem ist die elektrische Leitfähigkeit des Sulfats geringer als diejenige von Blei und erhöhte deshalb den Innenwiderstand der Zelle. Bei Belastung bricht die Spannung stärker ein.

Eine längere Haltbarkeit erreichen die Akkuhersteller durch relativ einfache Maßnahmen. So sorgen stärkere Bleiplatten mit mehr wandelbarem Material für lange Laufleistungen. Allerdings lassen sich die Platten nicht beliebig massiv herstellen. Sogenannte Röhrchen- oder Panzerplatten haben zwar enorme Lebensdauer, sie wird aber mit hohen Innenwiderständen und dadurch schlechterer Hochstromfähigkeit bezahlt. Der Innenwiderstand ist jedoch ein kritischer Wert bei einer USV: Weil die Batterie im Ernstfall sehr viel Leistung über einen kurzen Zeitraum abgeben muss, fordern die USV-Entwickler eine möglichst gute Hochstromfähigkeit der Akkus. Die hängt neben den Platten auch von den Interzellverbindern innerhalb des Akkus ab.

Vor allem wegen der hohen Temperaturen in IT-Umgebungen darf man die Eurobat-Spezifikation der Lebensdauer nicht bis zum letzten Monat ausreizen. Labortests unter realen Bedingungen zeigen, dass ein High-Performance-Akku in der Regel sieben bis acht statt der vorgesehenen zehn bis zwölf Jahre durchhält.

Und noch ein Faktor darf nicht außer Acht gelassen werden: Teilweise kommen Akkus auf den Markt, die vom Hersteller sehr optimistisch deklariert werden. Die oft aus chinesischer Produktion stammenden Akkus haben erheblich dünnere Plattenstärken als nötig. Sie halten im besten Fall fünf, meist aber nur drei Jahre lang. Nichtsdestotrotz: Wer die Anschaffung einer USV plant, sollte genau nachfragen, welche Klassifizierung die verwendeten Akkus haben und wie lange sie ihren Dienst verrichten.

Akkuladung und Akkupflege

Dass ein verschlossener Bleiakku wartungsfrei ist, gilt nur für das Nachfüllen von Wasser und Säure. Der Akku muss permanent auf dem korrekten Ladestand gehalten und so schnell wie möglich nachgeladen werden. Dabei müssen die äußeren Bedingungen, vor allem die Temperatur, in die Ladeparameter einfließen.

Das schonende und dennoch schnelle Laden von jedwedem Akku ist eine Wissenschaft für sich. Wurden früher relativ simple U/I-Kennlinien benutzt, sind heute prozessorgesteuerte Kennfelder die Regel, in die zahlreiche Eckdaten einfließen. Ebenfalls neu ist die Verwendung von gepulsten Ladespannungen und Strömen.

Allerdings haben viele dieser Ladetechniken für USV-Systeme keine Relevanz: Die Verfahren wurden meist entwickelt, um die Ladezeit drastisch zu reduzieren, und nicht, um die Akkus zu schonen. Das Schnellladen ist etwa bei Akkuwerkzeugen oder bei Notebooks wichtig, wo lange Perioden des Akkubetrieb nur kurzen Zeiten mit Netzversorgung gegenüberstehen. Doch der übliche USV-Einsatz sieht eine praktisch durchgehend vorhandene Netzversorgung mit geringen Phasen des Akkubetriebs vor. Hier ist es wichtiger, die Lebensdauer der Akkus zu verlängern, als minimale Ladezeiten zu erreichen.

Aber auch diese Anforderung stellt die Entwickler vor große Herausforderungen. In einem USV-System können Hunderte von Akkus verbaut sein, die in Parallel- und Reihenschaltung alle am gleichen Laderegler hängen. Nun unterscheiden sich jedoch die Akkus in ihren Eckdaten geringfügig. Manchmal können die Zeiten, bis ein Akku komplett aufgeladen ist, sogar merklich auseinanderklaffen. Ein Akku, der seine volle Ladung schnell erreicht, wird dann konstant überladen.

Ladestand bestimmen

Schaltungstechnisch ist es sehr schwer, während des Betriebs den konkreten Ladezustand der Zellen im Akku zu ermitteln. Bei geschlossenen Typen geht das theoretisch über die Säuredichte. Aber zum einen ist das nur bei einzelnen Akkus praktikabel, zum anderen nutzt die überwiegende Anzahl der USVs verschlossene Ausführungen.

Um den Ladezustand im laufenden Betrieb zu bestimmen, wurde in den letzten Jahren durch eine aufmodulierte Wechselspannung die Impedanz des Akkus bestimmt. Ein Mikroprozessor ermittelt die Gleichförmigkeit der Werte und entsprechende Abweichungen. Allerdings zeigt sich, dass diese elektrische Größe allein nicht immer zuverlässig Auskunft über den Ladezustand gibt.

Bis zu einem Kapazitätsverlust von 30 bis 35 Prozent gibt die einfache Impedanzmessung keinen Hinweis auf einen Defekt. Weil Akkus aber in der Regel bei 80 Prozent Nennkapazität ausgetauscht werden sollten, ist ein komplexeres Messverfahren vonnöten. Mehrere Anbieter von Schaltungstechnik versuchen, sich über ein Ersatzmodell nach Randles ein genaueres Bild des Ladezustands zu verschaffen. Dabei wird der Stromverlauf über die Zeit aufgezeichnet und ein Wechselspannungsanteil mit verschiedenen Frequenzen ausmoduliert. Zu den so gemessenen Parametern gehören Metallwiderstand, der Elektrolytwiderstand, die Doppelschichtkapazität und die Warburg-Impedanz. Zum Teil werden die Akkus sogar mit eigenen Mikroprozessoren ausgestattet, die die Messungen durchführen und die Ladespannung anpassen.

Abseits von solch komplexen Maßnahmen gilt natürlich eine einfache Grundregel: Bleiakkumulatoren dürfen nicht tiefentladen werden. Dies führt zu irreparablen Schäden, die die Nennkapazität verringern. Eine entsprechende Abschaltung, die einer Tiefentladung zuvorkommt, sollte in jede USV eingebaut sein.

Ladetechnik in USV-Anlagen

Aufwendige Ladetechnik ist den meisten kleinen USV-Anlagen auch heute noch fremd. Die Bleiakkus werden mit einer U/I-Kennlinie geladen und die Temperatur möglichst bei 20 Grad Celsius gehalten. Wichtig ist aber eine möglichst von Restwelligkeit (Ripple) freie Ladespannung. Zu starkes Ripple an den beiden Polen reduziert auf Dauer sowohl die Lebensdauer als auch die Nennkapazität. Eurobat empfiehlt bei angeschlossener Last einen Anteil der Restwelligkeit von nicht mehr als einem Prozent. Die EN50270 Richtlinie gibt ähnliche Grenzwerte vor.

Newave beispielsweise geht das Thema Restwelligkeit mit einer Doppelstrategie an. Die Spannung hinter den Gleichrichtern wird zunächst über Booster geleitet und steht dann als Vierpol-Zwischenkreis zur Verfügung. Dann sorgt ein DC/DC-Wandler für eine weitere Glättung der Spannung. Durch den DC/DC-Wandler kann die Spannung exakt angepasst werden. Dies ist hilfreich, wenn Kunden bereits einen Akkusatz besitzen und diesen weiter nutzen möchten.

Größere USV-Anlagen können auch mit mehreren Batteriesträngen zusammenarbeiten. Das sorgt für eine höhere Redundanz und hilft bei nachträglichen Erweiterungen. Denn wenn der Leistungsbedarf im Rechenzentrum wächst, ist mehr Akkukapazität notwendig. Alte und neue Akkus sollten aber nicht kombiniert werden, da deren Innenwiderstände und Ladespannungen zu unterschiedlich sind.

Bei mehreren unabhängigen Akkusträngen bleiben die alten Akkus erhalten, die neuen erhöhen die Leistungsreserve. Dadurch verschlechtert sich die Verfügbarkeit der USV während des Austauschs nicht, die Umbauzeiten sind kürzer und Kosten werden eingespart.

Fazit

Trotz ihres einfachen Aufbaus bilden Bleibatterien immer noch das Rückgrat jeder USV. Doch diese Batterien altern und müssen regelmäßig getauscht werden, um die projektierte Überbrückungsleistung sicherzustellen. Um keine bösen Überraschungen zu erleben, sollte man bei den Bleiakkus auf Markenware mit genau spezifizierten Werten, vor allem für die Lebensdauer, achten.

Um die Austauschzyklen der Batterien zu verlängern ist ein hoher Einsatz an Messelektronik in den USVs nötig. Nur wenn der Akkuzustand mit komplexen Messungen stets genau bekannt ist, kann der Laderegler die Akkus im optimalen Betriebspunkt halten. Überladen und Tiefentladen schaden den Akkus dauerhaft und reduzieren deren Kapazität.

Es empfiehlt sich, auf mehrere unabhängige Akkustränge Wert zu legen. So kann man die Kapazität der USV erweitern und dabei die alten Akkus behalten. Zudem erhöht die Redundanz die Ausfallsicherheit. (ala)