Rechner für stationäre Batterien: Auslegung, Überbrückungszeit und Kapazitätsprüfung

Was dieser Rechner leistet

Vier Rechnungen an derselben Batterieanlage, in vier Reitern:

1. Auslegung. Aus dem Lastprofil die zu installierende Mindestkapazität und, wenn Zellenzahl und Ladestrom angegeben sind, die Energie der Batterie und die Ladezeit.
2. Überbrückungszeit. Wie lange eine installierte Anlage bei konstantem Strom durchhält.
3. Kapazitätsprüfung. Welchen Anteil ihrer Nennkapazität eine reale Entladung geliefert hat, korrigiert nach IEEE 450-2020, IEC 60896-21:2004 oder IEC 61056-1:2012, und wann die nächste Prüfung fällig ist.
4. Innenwiderstand. Widerstand und Kurzschlussstrom aus zwei Stromstufen nach IEC 60896-21:2004 oder EN 61960.

Auslegung nach IEEE 485-2020

Das vollständige Verfahren nach IEEE 485-2020 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:

1. Die vom Profil geforderten Amperestunden werden summiert: Σ (Strom × Dauer).
2. Der Temperaturfaktor für die Mindesttemperatur des Raums wird angewendet. Zwischen den Stützpunkten der Tabelle aus IEEE 485-2020 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.
3. Der Alterungsfaktor wird angewendet, üblicherweise 1,25.
4. 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 450-2020

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 450-2020, 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.

Energie und Ladezeit

Mit der Zahl der Zellen in Reihe und der mittleren Entladespannung je Zelle —1,9 bis 2,0 V bei Blei-Säure— gibt der Rechner die Energie der erforderlichen Batterie an, E = N × mittlere U × C, so wie IEC TS 62933-3-1:2018 sie für Energiespeichersysteme ausdrückt. Er verwendet die bereits um Temperatur, Alterung und Reserve korrigierte Kapazität, denn die Spezifikation verlangt, dass die Bemessungswerte am Lebensende und bei der ungünstigsten Temperatur gelten: dieselbe Überlegung wie beim Faktor 1,25.

Dieselbe Spezifikation verlangt, die Erholzeit zu berücksichtigen: wie lange die Batterie braucht, um für den nächsten Lastzyklus bereit zu sein. Der Rechner schätzt die strombegrenzte Phase als entnommene Ah × Ladefaktor / Ladestrom, mit einem Faktor von 1,10 bis 1,15 bei Blei-Säure. Die Konstantspannungsphase kommt mit mehreren Stunden hinzu; das Ergebnis ist also ein Mindestwert.

Prüfung nach IEC 60896-21:2004 und IEC 61056-1:2012

In Europa werden Prüfungen an ortsfesten VRLA-Batterien nach IEC 60896-21:2004 dokumentiert. Die gemessene Kapazität, Strom × Zeit, wird auf die gewählte Bezugstemperatur —20 °C oder 25 °C— korrigiert, mit der Temperatur der Einheit unmittelbar vor der Entladung, die zwischen 18 °C und 27 °C liegen muss:

Ca = C / [1 + λ × (θ − 20)] (bzw. θ − 25)

Bei einer Inbetriebnahmeprüfung endet die Entladung, wenn der Strang N × U Ende erreicht oder der erste Block n × U Ende − 0,2 × √n, je nachdem, was zuerst eintritt. Bei einem Strang aus acht 12-V-Blöcken, entladen mit C3, sind das 81,6 V für den Strang oder 9,71 V für den ersten Block. Der Rechner gibt beide Werte an, wenn die Blockspannung eingegeben wird.

Kleine VRLA-Batterien —USV, Sicherheitsbeleuchtung, tragbare Geräte— fallen unter IEC 61056-1:2012. Bezug ist dort C20: Entladung mit I20 = C20 / 20 bis 1,75 V/Zelle bei 20 ± 2 °C oder 25 ± 2 °C, ohne Temperaturkorrektur. Die tatsächliche Kapazität ist Ca = t × I20 und muss C20 erreichen; bei einer neuen Batterie lässt die Norm bis zu fünf Entladungen zu. Außerdem muss die Batterie bei 20 × I20 mindestens 20 Minuten bis 1,6 V/Zelle durchhalten.

Erwartete Lebensdauer und nächste Prüfung

Die Lebensdauer einer Bleibatterie hängt vor allem von der Temperatur ab: IEC 60896-21:2004 (Anmerkung zu 3.36) und der Eurobat-Leitfaden für VRLA halbieren sie je 10 °C mittlerer Temperatur über 20 °C. Eine auf 10 Jahre ausgelegte Batterie, die bei 30 °C arbeitet, hält etwa 5 Jahre. Mit der so korrigierten Lebensdauer wendet der Rechner die Prüfabstände nach IEEE 450-2020 an:

• Unter 80 %: ersetzen.
• 90 % oder weniger, Abfall um mehr als 10 Punkte seit der vorigen Prüfung oder 85 % der Lebensdauer verbraucht: jährliche Prüfung (alle zwei Jahre, wenn die Batterie auch spät im Leben noch 100 % liefert).
• Sonst: alle 25 % der erwarteten Lebensdauer oder alle 5 Jahre, je nachdem, was zuerst eintritt. Die erste Prüfung innerhalb der ersten zwei Betriebsjahre.

Innenwiderstand

Der vierte Reiter wendet das Verfahren mit zwei Stromstufen an. Bei Blei das nach IEC 60896-21:2004, Einheit voll geladen und zwischen 20 °C und 25 °C: 4 × I10, Ablesung nach 20 s, Abschalten vor 25 s; fünf Minuten Ruhe im offenen Kreis ohne Nachladen; 20 × I10, Ablesung nach 5 s. Bei Lithium das nach EN 61960: 0,2 It für 10 s und ohne Unterbrechung 1,0 It für 1 s. In beiden Fällen gilt

R = (U1 − U2) / (I2 − I1)

und die bis 0 V verlängerte Gerade liefert den Kurzschlussstrom, Ik = (U1 × I2 − U2 × I1) / (U1 − U2), den Wert für die Auslegung von Sicherungen und Schaltern. IEC 60896-21:2004 schreibt dem Verfahren eine Genauigkeit von ±10 % zu; kleinere Abweichungen vom Herstellerwert sind also nicht signifikant. Bei entladener Batterie sinkt der Kurzschlussstrom auf etwa 60 %. Der Innenwiderstand dient zur Verlaufsbeobachtung einer Anlage, nicht zur Bestimmung ihrer Kapazität: die liefert nur die Entladeprüfung.

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 485-2020 noch die Herstellerkurven, die für die endgültige Auslegung maßgeblich sind. Er legt das Ladegerät nicht aus: die Ladezeit ist eine Schätzung der strombegrenzten Phase. Und er sagt ohne Entladeprüfung nichts über die Kapazität einer installierten Anlage: der Innenwiderstand hilft, den Verlauf zu beobachten, aber die Prüfung ist 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.