Rechner für stationäre Batterien: Auslegung, Überbrückungszeit und Kapazitätsprüfung
Berechnen Sie die vom Lastprofil geforderte Mindestkapazität, die geschätzte Überbrückungszeit bei konstantem Strom und das temperaturkorrigierte Ergebnis einer Entladeprüfung.
Auslegung, Überbrückungszeit und Kapazitätsprüfung
Drei Rechnungen an derselben Batterieanlage: die vom Lastprofil geforderte Mindestkapazität, die geschätzte Überbrückungszeit bei konstantem Strom und das temperaturkorrigierte Ergebnis einer Entladeprüfung.
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Was dieser Rechner leistet
Drei Rechnungen an derselben Anlage, in drei Registern:
- Auslegung. Aus dem Lastprofil die zu installierende Mindestkapazität.
- Überbrückungszeit. Wie lange eine installierte Anlage bei konstantem Strom durchhält.
- Kapazitätsprüfung. Welchen Prozentsatz der Nennkapazität eine reale Entladung erbracht hat, temperaturkorrigiert.
Auslegung nach IEEE 485
Das vollständige Verfahren nach IEEE 485 zerlegt das Lastprofil in Abschnitte und sucht für jeden die Zellengröße, die ihn abdeckt, anhand der Kapazitätskurven des Herstellers. Dieser Rechner wendet die vereinfachte Fassung für eine erste Abschätzung an:
- Die vom Profil geforderten Amperestunden werden summiert: Σ (Strom × Dauer).
- Der Temperaturfaktor für die Mindesttemperatur des Raums wird angewendet. Zwischen den Stützpunkten der Tabelle aus IEEE 485 wird interpoliert — 1,00 bei 25 °C; 1,04 bei 21,1 °C; 1,11 bei 15,6 °C; 1,19 bei 10 °C; 1,30 bei 4,4 °C; 1,59 bei −6,7 °C —, oberhalb von 25 °C wird kein Bonus angesetzt, was die konservative Wahl ist.
- Der Alterungsfaktor wird angewendet, üblicherweise 1,25.
- Die Planungsreserve kommt hinzu, typischerweise 10 % bis 15 %.
Das Ergebnis ist die Mindestkapazität in Amperestunden. Es ist nicht die endgültige Zellengröße: dafür muss man mit der tatsächlichen Entladedauer in die Herstellerkurven gehen, denn eine Batterie liefert in 1 Stunde nicht dieselbe Kapazität wie in 8.
Geschätzte Überbrückungszeit
Das zweite Register verwendet die Peukert-Gleichung,
t = H × (C / (H × I))^n
mit C als Nennkapazität, H als zugehöriger Entladedauer (bei den meisten stationären Zellen 8 oder 10 Stunden), I als Entladestrom und n als Peukert-Exponent, bei Blei-Säure zwischen 1,1 und 1,3.
Das ist eine bekannte und bequeme Näherung, aber eben eine Näherung: bei sehr schnellen Entladungen und bei sehr kleinen Strömen weicht sie von der Realität ab, und sie berücksichtigt weder die Entladeschlussspannung noch den Anfangsladezustand. Sie taugt, um zu beurteilen, ob eine Anlage reichlich oder knapp bemessen ist; nicht, um eine Überbrückungszeit zu bescheinigen.
Kapazitätsprüfung nach IEEE 450
Die einzige Möglichkeit, die Kapazität einer Batterie zu kennen, ist sie zu entladen. Das dritte Register berechnet
Kapazität (%) = (erreichte Zeit / erwartete Zeit) × 100
korrigiert um die mittlere Zellentemperatur während der Prüfung mit dem Faktor aus IEEE 450, 1 + 0,008 × (T − 25 °C). Bei Zellen mit 30 °C leistet die Batterie mehr, und ohne Korrektur würde ein um etwa 4 % zu gutes Ergebnis protokolliert.
Auswertung: 90 % oder mehr, normaler Betrieb; zwischen 80 % und 90 %, Prüfabstand verkürzen; unter 80 %, ersetzen.
Gelöstes Beispiel
125-V-DC-Anlage in einer Schaltanlage, deren Raum im Winter auf 10 °C fällt. Profil: 120 A in der ersten Minute, 25 A über 179 Minuten und 80 A in der letzten Minute.
- Bedarf des Profils: 120×(1/60) + 25×(179/60) + 80×(1/60) = 77,9 Ah
- Temperaturfaktor bei 10 °C: 1,19
- Mit Alterung 1,25 und 10 % Reserve: 77,9 × 1,19 × 1,25 × 1,10 = 127 Ah
Eine 150-Ah-Zelle bei 8-stündiger Entladung deckt das Profil mit Reserve; eine 125-Ah-Zelle wäre grenzwertig und müsste vor dem Kauf an der Herstellerkurve geprüft werden.
Was dieser Rechner nicht leistet
Er ersetzt weder das abschnittsweise Verfahren nach IEEE 485 noch die Herstellerkurven, die für die endgültige Auslegung maßgeblich sind. Er kennt weder Zellentyp noch Entladeschlussspannung noch Zellenzahl. Und er sagt nichts über den Zustand einer installierten Anlage: dafür gibt es die Entladeprüfung, die einzige Messung, die keine Rechnung ersetzt.
Womit gemessen wird
Die Kapazitätsprüfung erfolgt mit einem Batterieentlader, der den Strom konstant hält und die Spannung jeder Zelle über die gesamte Entladung aufzeichnet. Der übrige Wartungszyklus — Laden, Zellenprüfung und Überwachung — gehört zum selben Programm.
Wer das Gerät nicht von Hand auswählen möchte, findet mit dem Auswahlassistenten für Lade- und Entladegeräte das konkrete Modell anhand von Anlagenspannung, Strom und Prüfart.
Häufige Fragen
- Warum wird bei der Auslegung mit 1,25 multipliziert?
- Das ist der Alterungsfaktor. Eine stationäre Batterie gilt als verbraucht, wenn ihre Kapazität auf 80 % der Nennkapazität fällt, und 1/0,8 = 1,25. Ohne diesen Faktor hält die Anlage ihre Überbrückungszeit lange vor dem Lebensdauerende der Batterie nicht mehr ein.
- Warum muss temperaturkorrigiert werden?
- Weil eine Blei-Säure-Batterie umso weniger Kapazität liefert, je kälter es ist: bei 10 °C sind rund 19 % mehr Nennkapazität nötig, um dieselben Amperestunden zu erhalten wie bei 25 °C. Ausgelegt wird mit der niedrigsten im Raum zu erwartenden Temperatur, nicht mit dem Mittelwert.
- Wann muss eine Batterieanlage ersetzt werden?
- IEEE 450 setzt das Kriterium bei 80 % der Nennkapazität: darunter wird die Batterie ersetzt. Zwischen 80 % und 90 % empfiehlt die Norm, den Prüfabstand zu verkürzen und den Verlauf zu verfolgen, weil der Abfall sich meist beschleunigt.