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Unterbrechungsfreie Stromversorgung

Modulares DC-USV-System

Das modular aufgebaute DC-USV-System UPSI von Bicker Elektronik stellt die unterbrechungsfreie 12V- und 24V-DC-Stromversorgung und somit die ausfallsichere Verfügbarkeit prozessrelevanter Systeme und Komponenten sicher. Das UPSI-System bietet effektiven Schutz vor Stromausfällen, Flicker, Schwankungen oder Spannungseinbrüchen der DC-Stromversorgung und vermeidet so kostenintensive Anlagenstillstände und Ausfallzeiten. Die kompakte Hutschienenausführung UPSI-XXXXD mit robustem Aluminium-Gehäuse ist für den schnellen und flexiblen Einbau in Schaltschränken mit einem Universal-DIN-Rail-Montage-System ausgestattet.

Ebenfalls im DIN-Rail-Gehäuse stehen als separate Energiespeicher sowohl besonders langlebige und sichere LiFePO4-Batteriezellen (Lithium-Eisenphosphat) als auch absolut wartungsfreie Supercaps (Ultrakondensatoren) zur Verfügung. Das UPSI-System zeichnet sich aufgrund der eingesetzten Energiespeicher-Technologien durch niedrige Gesamtbetriebskosten (TCO) bei gleichzeitig hoher Sicherheit und Langlebigkeit aus. Die unterbrechungsfreie DC-Stromversorgungslösung bietet optimalen Schutz für eine Vielzahl von Applikationen und Anwendungsfeldern.

Intelligente Lade- und Steuereinheiten UPSI-XXXXD (DIN-Rail)

Bei den beiden kompakten Steuer- und Lademodule Bicker UPSI-1208D (12VDC) und Bicker UPSI-2406D (24VDC) wurde für den Lade- und Entladeprozess der angeschlossenen Energypacks ein bidirektionaler Wandler (Buck-Boost) als zentrales Element implementiert um einen sehr effizienten und sicheren Betrieb zu gewährleisten. Damit das UPSI-System flexibel mit verschiedenen Batterietechnologien eingesetzt werden kann, sind drei Ladeverfahren mit individueller Anpassung der Ladeschlussspannung implementiert: Constant Current, Constant Voltage und Constant Power. Das Lade- und Steuermodul ist über zwei Leitungen mit dem jeweiligen Energiespeicher verbunden. Neben der Energieübertragungsleitung (BAT PWR) werden auf der Datenleitung (BAT DATA) via I2C-Schnittstelle alle relevanten Betriebsdaten kontinuierlich überwacht und gesteuert. Beim Wechsel des Energiespeichers, welcher sogar während des laufenden Betriebes möglich ist (Hot-Swapping), wird eine Batterietyp-ID-Authentifizierung durchgeführt, so dass automatisch die passenden Lade- und Entladeparameter an der DC-USV gesetzt werden können. Die intelligente PowerSharing-Funktion sorgt eingangsseitig dafür, dass die vorgeschaltete AC/DC-Stromversorgung nicht überdimensioniert werden muss, sondern die Eingangsleistung konstant gehalten und entsprechend angepasst auf Last und Lader verteilt wird. Das heißt, bei geringer Last am Ausgang fließt mehr Energie in den Ladevorgang und umgekehrt.

Im Bereich kurzer und mittlerer Überbrückungszeiten bieten sich absolut wartungsfreie Supercaps (Ultrakondensatoren) als hocheffiziente und besonders langlebige Energiespeicher mit mehr als 500.000 Lade- und Entladezyklen an. Im Gegensatz zu Batterien, die Energie über den Umweg einer chemischen Reaktion speichern, basieren Supercaps auf elektrophysikalischen Prinzipien und sind innerhalb kürzester Zeit geladen und einsatzbereit. Energiespeicher mit Superkondensatoren überzeugen mit einer hohen Strombelastbarkeit, Leistungsdichte und Zuverlässigkeit. Die Energiepeicher Bicker BP-SUC-D verfügen über eine integrierte Steuer- und Schutzschaltung sowie eine Connect / Disconnect Power-Funktion und arbeiten im erweiterten Temperaturbereich.

Für längere Überbrückungszeiten bietet sich die Lithium-Ionen-Technologie mit hoher Energiedichte an. Bei der Auswahl eines Li-Ionen-Energiespeichers für DC-USV-Systeme empfiehlt sich jedoch ein genauer Blick auf das eingesetzte Kathodenmaterial. Gerade bei Zellen mit chemisch und thermisch instabilem Kathodenmaterial wie Lithium-Kobalt-Oxid (LCO) oder Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid (NMC) kann es unter bestimmten Bedingungen zu zellinternen exothermischen chemische Reaktionen kommen, die letztlich in einem unkontrollierbaren „Thermal Runaway" enden. Deshalb hat sich Bicker Elektronik mit Lithium-Eisenphosphat (LiFePO4) für ein Kathodenmaterial entschieden, welches im Vergleich zu LCO/NMC eine wesentlich stabilere chemische Verbindung mit erhöhter Sicherheit und einer rund zehnfach höheren Zyklenfestigkeit (6.000 Lade- und Entladezyklen) aufweist. Die hochwertigen Bicker BP-LFP-D-Batteriepacks verfügen zudem über ein integriertes Hochleistungs-Batterie-Management-System (BMS) zur Optimierung von Lebensdauer und Sicherheit. Das BMS überwacht und steuert den kompletten Lade- und Entladevorgang jeder Batteriezelle des Energiespeichers. Das integrierte Cell-Balancing sorgt hierbei für eine ausgewogene und gleichmäßige Ladung aller Zellen, so dass die volle Kapazität des Lithium-Ionen-Batteriepacks dauerhaft nutzbar bleibt.

Batterie-Relax-Modus verlängert Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien

Mit dem Batterie-Relax-Modus greift Bicker Elektronik die Problematik auf, dass in vielen DC-USV-Systemen der 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, so dass eine Entladung jederzeit möglich ist. Bei detektierter Entladung (USV-Betrieb nach Stromausfall) wird der zuvor deaktivierte Lade-MOSFET unmittelbar wieder zugeschaltet, so dass 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.

Mindestlast-Erkennung

Die Mindestlast-Erkennung der UPSI-Steuereinheit überwacht im Backup-Betrieb (Batteriemodus) die aus dem Energiespeicher zu versorgende Ausgangslast. Unterschreitet die Last am Ausgang einen bestimmten Grenzwert, wird der Energiespeicher automatisch von der Lade- und Steuereinheit getrennt, so dass der Energiespeicher nicht unnötig von der DC-USV-Elektronik entleert wird.

Integrierte Reboot-Funktion für PC-basierte Systeme

Bei PC-basierten Steuerungen und Computersystemen leitet die integrierte Reboot-Funktion nach erfolgtem Shutdown und wiederkehrender Versorgungsspannung selbstständig den Neustart des PC-Systems ein, ohne dass die Intervention eines Service-Mitarbeiters notwendig wäre. Zusätzlich erlaubt eine Batterie-Start-Funktion den (getrennten) Energiespeicher manuell zu aktivieren und so das System initial aus der Batterie heraus zu starten, um beispielsweise eine Diagnose durchzuführen.

Schnittstellen und USV-Software

Für die Datenkommunikation mit Steuerungen oder PC-basierten Systemen stehen USB- und RS232-Schnittstellen zur Verfügung. Mit Hilfe der HID-Battery-Parameter Software können Einstellungen an der DC-USV komfortabel vorgenommen werden. Zusätzlich ermöglicht ein umfangreicher Befehlssatz das direkte Auslesen von Sensorwerten und das Setzen von Parametern.

www.bicker.de




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