Kurzantwort: Dimensionieren Sie die Batterie im Schrank anhand der erforderlichen Last, der benötigten Ausfalldauer und der nutzbaren Speicherkapazität nach dem Abkühlen, einschließlich des Stromverbrauchs der Batterieheizung. Prüfen Sie separat, wie schnell der Ladevorgang wieder aufgenommen werden kann und wie schnell genügend Reserve für einen zweiten Ausfall wiederhergestellt wird.
Wichtige Erkenntnisse
Kaltes Wetter verringert die Akkukapazität. Verwenden Sie einen Reduktionsfaktor basierend auf der niedrigsten Temperatur an Ihrem Standort.
Heizgeräte halten Batterien warm, verbrauchen aber zusätzliche Energie. Berücksichtigen Sie den Stromverbrauch der Heizung in Ihrem gesamten Energiebudget.
Die meisten Lithiumbatterien lassen sich bei Minusgraden nicht aufladen. Rechnen Sie daher nach einem Stromausfall mit einer verzögerten Wiederaufladung.
Prüfen Sie, ob Ihre Batterie wiederholt entladen wird. Ein einzelner Entladetest beweist nicht, dass sie sich erholen kann.
Für eine lange Lebensdauer in kalten Außenschränken wählen Sie LiFePO4. Passen Sie die chemische Zusammensetzung an die Anforderungen Ihres Standorts an.
Teil 1: Ladeprofil und Laufzeit
1.1 Dauer-, Spitzen- und Ruhelasten
Die Angaben auf einem Typenschild stimmen selten mit dem tatsächlichen Stromverbrauch überein. Ein Ampelverteilerkasten mag zwar Steuergerät, Funkgerät und Kamera mit den angegebenen Werten ausweisen, doch der gemessene Stromverbrauch zeichnet ein anderes Bild. Ingenieure sollten daher den tatsächlichen Stromverbrauch am Verteilerkasten über einen vollständigen Betriebszyklus hinweg erfassen. Diese Aufzeichnung ermöglicht die Einteilung der Lasten in drei Klassen: kontinuierliche Lasten, die stündlich laufen, kurzzeitig auftretende Spitzenlasten und Ruhelasten, die auch dann aktiv bleiben, wenn der Schrank im Leerlauf ist.
Spitzen- und Anlaufstromverhalten erfordern eine gesonderte Messung. EnergyDawnice weist darauf hin, dass ein Motor mit einer Leistung von 5 kW beim Anlauf kurzzeitig 12–15 kW ziehen kann. Ein Sicherheitsschrank mit einer schwenk-, neig- und zoomfähigen Kamera und einer Heizung zeigt ein ähnliches Anlaufverhalten. Akku, Batteriemanagementsystem (BMS) und Verkabelung müssen diesen Anlaufstrom abfangen können. Eine alleinige Dimensionierung für die durchschnittliche Last birgt die Gefahr, dass das System im ungünstigsten Moment gefährdet ist.
1.2 Von den Standortanforderungen zur Ausfallenergie
Die Berechnung des Energieverbrauchs während eines Stromausfalls ist einfach. EnergyCalcSuite beschreibt die Vorgehensweise: Multiplizieren Sie den täglichen Energiebedarf in kWh mit der Anzahl der Ausfalltage und addieren Sie anschließend einen Puffer von 20 % für Ineffizienzen und unerwartete Lasten. Ein Verteilerkasten, der während eines dreitägigen Ausfalls 2 kWh pro Tag verbraucht, benötigt etwa 7.2 kWh nutzbaren Speicher. Dieser Wert deckt nur den Ausfall selbst ab; die Wiederherstellung des Energiebedarfs nach dem Aufladen wird separat geprüft.
Zwei Korrekturen sorgen für korrekte Werte. Erstens: Die Nennkapazität muss in die nutzbare Kapazität umgerechnet werden. EnergyDawnice weist darauf hin, dass ein 100-kWh-Akku bei 80 % Entladetiefe nur noch 80 kWh liefert und der Wechselrichterwirkungsgrad von nahezu 95 % die Wechselstromleistung weiter reduziert. Zweitens: Der Kälteleistungsreduzierungsfaktor aus Teil 2 muss berücksichtigt werden. CE Innovators merkt außerdem an, dass zwei mit 10 kWh gekennzeichnete Akkus aufgrund interner Puffereinstellungen unterschiedliche nutzbare Kapazitäten aufweisen können. Vergleichen Sie Systeme anhand der nutzbaren Energie, nicht anhand der Nennkapazität.
Teil 2: Notstromversorgung bei Kälte
2.1 Kaltwasser- und Nutzbare Kapazität
Ein Lithium-Akku arbeitet am besten bei einer Temperatur von etwa 25 °C. Darunter verringert sich die Leistung und die Ladezeit verlängert sich. Bei einer Kaltlagerung bleibt der Akku lange genug auf niedriger Temperatur, damit sich die Temperatur im Inneren ausgleicht. Die nutzbare Kapazität sinkt dann deutlich unter den Wert bei Raumtemperatur.
Battery University berichtet, dass eine Zelle bei 27 °C (80 °F) als Referenzwert 100 % ihrer Kapazität aufweist. Bei –18 °C (0 °F) erreicht dieselbe Zelle üblicherweise nur noch 50 %. Bei –20 °C (–4 °F) liegen die meisten Batterien nahe der 50-%-Marke. Battery University stellt außerdem fest, dass Kälte den Innenwiderstand erhöht und die Kapazität verringert; dieser Kapazitätsverlust verschwindet jedoch wieder, sobald sich die Zelle erwärmt.
Auch mildere Kälte kostet Energie. Grepow berichtet von etwa 75 Prozent des 25-°C-Wertes bei –10 °C und etwa 60 Prozent bei –50 °C unter einer Temperaturdifferenz von 0.2 °C. Grepow fügt hinzu, dass der genaue Verlust von der chemischen Zusammensetzung, der Bauweise, der Last und den thermischen Bedingungen abhängt. Daher verwendet die Auslegung von Batteriespeichern für kalte Witterungsbedingungen einen Reduktionsfaktor, der sich an der niedrigsten zu erwartenden Umgebungstemperatur orientiert und nicht an einem durchschnittlichen milden Winterwert.
2.2 Heizlasten und thermisches Budget des Gehäuses
Eine Heizung schützt zwar die Akkukapazität, entlädt den Akku aber auch. Emergency Lights weist darauf hin, dass Heizungen im Standby-Modus Strom verbrauchen und in der Regel eine kontinuierliche Wechselstromversorgung zum Vorwärmen der Akkus benötigen. Thermostatisch geregelte Heizmatten halten den Akku nahe seiner optimalen Temperatur und eignen sich gut für Standorte mit extrem niedrigen Temperaturen oder längere Aufenthalte unter Null Grad. Oupes argumentiert ähnlich hinsichtlich des Stromverbrauchs: Gelegentliches Heizen ist deutlich effizienter als ein ständig laufender Heizstrahler. Eine Heizdecke mit 60–120 W, kombiniert mit Dichtungsbändern und Zugluftstoppern, reduziert den Energieverbrauch im Vergleich zu einem 1,500-W-Heizstrahler erheblich.
Die Wärmebilanz muss die Heizung während der kältesten Stunden als Dauerlast berücksichtigen. Emergency Lights empfiehlt, die Heizung mit ausreichend Reserve zu dimensionieren und die Laufzeit im Winter zu überprüfen. Für extreme Winterbedingungen von –20 bis –40 °F wird eine Innenbatterie mit externen Leuchten empfohlen.
Die Gehäusekonstruktion ist ebenso wichtig wie die Heizleistung. Yake Climate empfiehlt, das Batteriefach abzutrennen und zu belüften, idealerweise mit entfeuchteter Zuluft. Yake Climate warnt außerdem davor, die Sicherheitsbelüftung zu reduzieren, um die Entfeuchtung zu vereinfachen, und fordert den Einsatz funkensicherer Geräte in Bereichen mit potenziell gefährlicher Atmosphäre. Ein Batterieschrank im Außenbereich kann mit kleinen Lüftungsöffnungen oder in einer geschlossenen Bauweise mit Kühlung und einem Luftentfeuchter ausgestattet sein.
Teil 3: Wiederherstellungs- und Wiederaufladeplanung
3.1 Einschränkungen beim Laden bei niedrigen Temperaturen
Die Stromversorgung bei Stromausfall ist nur die halbe Miete. Ein Kaltwetter-Batteriesystem muss sich nach einem Ausfall auch wieder wiederherstellen, und Kälte erschwert die Wiederherstellung. Die meisten Lithium-Akkus lassen sich bei 0 °C (32 °F) nicht mehr laden. Savolture gibt an, dass LiFePO4-Zellen unterhalb dieser Temperatur nicht geladen werden können. Das Batteriemanagementsystem (BMS) öffnet den Ladepfad und wartet, bis sich der Akku erwärmt hat.
Diese Abschaltung verändert den Ladevorgang. Ein Akku, der nachts bei Minusgraden die Stromversorgung verliert, kann bis zum Sonnenaufgang einen niedrigen Ladestand aufweisen. Er wartet möglicherweise auch, bis die Heizung die Zellen über den Schwellenwert erwärmt hat. Der Akku lädt dann langsamer, während er sich erwärmt. Eine Konstruktion, die eine vollständige Aufladung innerhalb weniger Stunden erwartet, wird ihr Ziel verfehlen. Ingenieure sollten die Ladeabschaltung als feste Grenze und nicht als flexible Grenze betrachten und das Ladefenster entsprechend planen.
Solarunterstützte Schränke stehen vor einem weiteren Problem. Schnee auf den Paneelen kann die Leistung bei einem Winterausfall nahezu auf null reduzieren. Die Batterie muss dann die volle Last tragen, ohne sich aufladen zu können, bis der Schnee geschmolzen ist. Ein im Sommer gut funktionierendes Paneel sagt dem Planer wenig über die Leistung im Januar aus. Messungen der Schneehöhe und der Neigung der Paneele vor Ort sind wichtiger als die Nennleistung in Watt.
3.2 Ladezeit und wiederholte Ausfälle
Ein einzelner Entladetest beweist die Laufzeit. Er beweist jedoch nicht die Wiederherstellung. Winterstürme führen oft zu einem zweiten Stromausfall, bevor sich der Akku vom ersten erholt hat. Die Konstruktion muss diese Abfolge von Ausfällen überstehen, nicht nur einen einzelnen.
Die Validierung mittels wiederholter Ausfälle schließt diese Lücke. Der Test sollte einer festgelegten Abfolge folgen:
Den Packbeutel bei der niedrigsten zu erwartenden Temperatur am Einsatzort einweichen.
Führen Sie eine vollständige Entladung bei der gemessenen Last durch, einschließlich der Heizleistung.
Laden Sie das Gerät unter den gleichen kalten Bedingungen erneut auf und notieren Sie die Zeit bis zum vollständigen Ladezustand.
Eine zweite Entladung auslösen, bevor der Akku vollständig geladen ist.
Prüfen Sie, ob das Paket auch beim zweiten Ereignis noch das Laufzeitziel erfüllt.
Ein Akku, der Schritt 2 besteht, aber bei Schritt 5 scheitert, ist für den Standort zu klein. Mögliche Lösungen sind eine höhere nutzbare Kapazität, eine stärkere Heizung oder ein wärmeres Batteriefach. Jede Option hat ihren eigenen Energieaufwand, daher sollte der Planer sie anhand desselben Wärmebudgets vergleichen.
Die Wiederherstellungsprüfung bestimmt auch die Ladeleistung des Ladegeräts. Ein für das Laden bei Raumtemperatur ausgelegtes Ladegerät kann bei der Kälteabschaltung blockieren. Dadurch kann der Akku stundenlang nur teilweise geladen bleiben. Durch die Abstimmung von Ladegerät und Heizung auf die niedrigste zu erwartende Temperatur wird das Wiederherstellungsfenster kurz und vorhersehbar gehalten.
Teil 4: Vergleich der Lithiumchemie
4.1 Geeignete Chemie für Notstromversorgung bei Kälte
Die Batteriechemie bestimmt den Ausgangswert für die Kaltwetterleistung, bevor Heizungen oder Leistungsreduzierungsfaktoren in die Konstruktion einbezogen werden. Referenzbereiche auf Zellenebene helfen Ingenieuren, die Kompromisse zu verstehen, bieten aber keine Garantie für ein komplettes Batteriepaket. Die folgende Tabelle fasst typische Plattformspannung, spezifische Energie und Zyklenlebensdauer auf Zellenebene zusammen.
Chemie | Plattformspannung | Spezifische Energie (Wh/kg) | Zyklusleben |
|---|---|---|---|
LCO | 3.7 V | 180-230 | 500-1,000 |
NMC | 3.6–3.7 V | 160-270 | 500-1,000 |
LiFePO4 | 3.2 V | 100-180 | 2,000-5,000 |
LMO | 3.7 V | 120-170 | 300-700 |
LiFePO4 eignet sich hervorragend für Standorte mit häufigen Ladezyklen und langer Lebensdauer in kalten Umgebungen. Dank seiner flachen Spannungskurve und hohen Zyklenzahl ist es ideal für Außenschaltschränke in Infrastruktur-/Transport- und Sicherheitssystemen. NMC bietet eine höhere spezifische Energie bei beengten Platzverhältnissen, beispielsweise bei kompakten Kameramasten. LCO ist für Unterhaltungselektronik mit geringer Zyklenzahl geeignet. LMO eignet sich für kostensensible Anwendungen mit moderater Zyklenzahl. Ein LiFePO4-Akku der Klasse C1D2 ist eine optimale Wahl für USV-Anlagen in der Öl- und Gasindustrie bei kalten Umgebungsbedingungen, wo sowohl die Schutzart für explosionsgefährdete Bereiche als auch die Zyklenzahl entscheidend sind.
4.2 Konformität, Kosten und Überlegungen zum Gebäudeleitsystem
Konformität und Kosten hängen von der Anwendung ab. Schaltschränke für explosionsgefährdete Bereiche benötigen ein zertifiziertes Gehäuse. Das obige Beispiel C1D2 zeigt, wie LiFePO4 diese Norm erfüllt. Für Transportstandorte können zusätzliche Zertifizierungsanforderungen gelten. LiFePO4 ist in vielen Märkten pro kWh in der Anschaffung teurer als LMO, die längere Lebensdauer verteilt diese Kosten jedoch auf mehr Stromausfälle.
Das Batteriemanagementsystem (BMS) trägt einen Großteil der Last bei Kälte. Epever merkt an, dass der Ladeschutz bei niedrigen Temperaturen das Laden unter 0 °C (32 °F) verhindert, wodurch die Lithiumplattierung unterbunden wird, und dass einige Systeme den Akku vor dem Ladevorgang erwärmen. PatSnap Eureka ergänzt, dass eine präzise Zustandsbestimmung, der Zellausgleich und die Erkennung der Lithiumplattierung temperaturabhängige Algorithmen benötigen.
Teil 5: Schrittweises Größenbestimmungsbeispiel
5.1 Berechnung der Laufzeit plus Wiederherstellungszeit
Ein Sicherheitsschrank verbraucht 2 kWh pro Tag, und der Standort muss einen dreitägigen Stromausfall überbrücken können. Der Grundbedarf an Energie während des Ausfalls beträgt 2 kWh pro Tag mal 3 Tage, also 6 kWh. Ein Puffer von 20 % reduziert den Wert auf 7.2 kWh nutzbare Energie bei Raumtemperatur. Dies ist der Ausgangspunkt, nicht das Endergebnis.
Kältebedingte Leistungsreduzierung und der Heizbedarf verändern die Werte. Bei 0 °C liefert der Akku etwa 80 % seiner Nennkapazität, wodurch sich der Wert bei Raumtemperatur durch 0.8 teilt und auf 9 kWh steigt. Noch kältere Standorte verschärfen den Leistungsverlust; Battery University berichtet von etwa 50 % Kapazität bei –18 °C. Ein 100-W-Thermostatheizgerät, das während eines 72-stündigen Stromausfalls läuft, erhöht den Bedarf um 7.2 kWh, was ihn nahezu verdoppelt. Der Entwickler prüft anschließend die Wiederherstellung: Das Batteriemanagementsystem (BMS) blockiert das Laden unter 0 °C, sodass der Ladevorgang erst beginnt, nachdem das Heizgerät die Zellen erwärmt hat. Eine Notstromversorgung für kalte Witterungsbedingungen benötigt daher einen Akku, der für die während des Stromausfalls benötigte Energie plus Heizleistung ausgelegt ist, sowie ein Ladegerät, das für den Kältebereich geeignet ist.
5.2 Validierung durch Wiederholungsausfalltests
Eine Bench-Berechnung beweist erst dann etwas, wenn das Paket den Test auf der Teststrecke übersteht. Die Validierung erfolgt nach einer festgelegten Reihenfolge:
Den Packbeutel bei der niedrigsten zu erwartenden Temperatur am Einsatzort kalt einweichen.
Entladung bei der gemessenen Last, einschließlich Heizleistungsaufnahme, für das gesamte Ausfallfenster.
Laden Sie das Gerät unter den gleichen kalten Bedingungen erneut auf und protokollieren Sie die Zeit bis zur vollständigen Aufladung.
Starten Sie eine zweite Entladung, bevor der Akku vollständig geladen ist.
Prüfen Sie, ob das Laufzeitziel auch beim zweiten Ereignis noch gilt.
Ein Akku, der Schritt 2 besteht, aber bei Schritt 5 scheitert, benötigt mehr nutzbare Kapazität, ein stärkeres Heizelement oder ein wärmeres Fach. Jede dieser Lösungen hat ihren eigenen Energieaufwand; vergleichen Sie sie daher anhand einer gemeinsamen Wärmebilanz.
Die Dimensionierungsformel bleibt vom ersten Entwurf bis zur finalen Ausführung unverändert: Nutzbare Energie = Lastleistung multipliziert mit der Laufzeit, dividiert durch den Kälteleistungsreduzierungsfaktor, zuzüglich eines Puffers. Eine Notstromversorgung für kalte Witterungsbedingungen benötigt zusätzlich den zweiten Faktor, die Wiederherstellungsprüfung. Die Kälteleistungsreduzierung deckt den Stromausfall selbst ab. Die Wiederherstellungsplanung berücksichtigt die Stunden danach, in denen die Ladeabschaltung bei 0 °C (32 °F) die nächste vollständige Ladung verzögert.
Ingenieure sollten Laufzeit und Wiederherstellung als zwei separate Designprüfungen betrachten. Ein Akku, der einen einzelnen Entladetest besteht, kann bei einem zweiten Ausfall dennoch versagen. Wiederholte Ausfalltests vor der Inbetriebnahme schließen diese Lücke. Die Wahl der chemischen Zusammensetzung sollte sich nach den Anforderungen des Standorts (Temperatur, Zyklenlebensdauer und Konformität) richten und nicht nach einem Standardwert.
FAQ
Wie verändert sich die nutzbare Kapazität eines Lithium-Akkus bei niedrigen Temperaturen?
Lithium-Akkus liefern bei sinkenden Temperaturen weniger Energie. Laut Artikel liefert ein Akku bei 0 °C (32 °F) nur noch etwa 80 % seiner Nennkapazität und bei –18 °C (0 °F) nur noch etwa 50 %. Planer sollten daher einen Reduktionsfaktor verwenden, der auf der niedrigsten zu erwartenden Umgebungstemperatur basiert und nicht auf einem durchschnittlichen Wert für einen milden Winter.
Warum reicht ein einzelner Entladetest nicht aus, um die Kältetauglichkeit nachzuweisen?
Ein einzelner Entladetest bestätigt lediglich die Laufzeit. Winterstürme führen oft zu einem zweiten Stromausfall, bevor der Akku wieder aufgeladen ist. Ein aussagekräftiger Test durchtränkt den Akku in Kälte, entlädt ihn mit der gemessenen Last, lädt ihn in der Kälte wieder auf und startet dann einen zweiten Entladetest, bevor er vollständig geladen ist.
Wie beeinflussen Heizlasten die Energiebilanz?
Eine thermostatgesteuerte Heizung zählt während der kältesten Stunden als Dauerlast. Im Beispiel erhöht eine 100-W-Heizung den Energieverbrauch bei einem 72-stündigen Stromausfall um 7.2 kWh, was den Bedarf nahezu verdoppelt. Planer sollten die Gesamtenergieversorgung so dimensionieren, dass sie sowohl den Energieverbrauch während des Stromausfalls als auch den Energieverbrauch der Heizung berücksichtigt.
Welche Rolle spielt die Abschalttemperatur von 0 °C (32 °F) bei der Wiederherstellung?
Die meisten Lithium-Akkus blockieren den Ladevorgang bei 0 °C (32 °F). Der Ladevorgang beginnt erst, wenn die Zellen durch die Heizung über diese Temperatur erwärmt wurden. Ingenieure sollten die Abschaltschwelle als festen Grenzwert betrachten und das Ladegerät für den Kaltladebereich auslegen.
Welche Lithiumchemie eignet sich für einen Schaltschrank, der für kalte Witterungsbedingungen geeignet ist?
Die Chemie des Speichers sollte auf die Temperatur, die Zyklenlebensdauer und die Konformitätsanforderungen des Standorts abgestimmt sein. LiFePO4 bietet eine hohe Zyklenzahl für häufig geschaltete Außenschränke, während NMC bei beengten Platzverhältnissen eine höhere spezifische Energie liefert. Ein LiFePO4-Akku mit der Schutzart C1D2 eignet sich für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen mit USV-Anlagen.
