Lithium-Ionen-Batterien stoßen als Alternative zu Blei-Säure-Batterien für den Einsatz in USV-Systemen für Rechenzentren auf großes Interesse. Besonders attraktiv an dieser Technologie ist die prognostizierte erhöhte Lebensdauer beim Batterieeinsatz. Aber sie bieten nicht nur eine Verbesserung gegenüber Blei-Säure-Batterien. Durch ihre längere Lebensdauer lassen sich möglicherweise zwei Austauschzyklen überspringen.
Das Problem ist natürlich, dass es derzeit keine Erfahrungen bezüglich Lithium-Ionen-Batterie-Einsatz im Rechenzentrum gibt, die auch nur annähernd solche Zeitspannen abdecken. Die Lithium-Ionen-Technologie ist einfach zu neu. Wie können Betreiber von Rechenzentren darauf vertrauen, dass Lithium-Ionen-Batterien ihre prognostizierte Lebensdauer erfüllen, ohne auf reale Erfahrungsdaten zurückzugreifen?
Dies ist eine der häufigsten Fragen, die wir von Kunden erhalten, die einen Übergang zu Lithium-Ionen-Batterien erwägen. Um die Bedenken auszuräumen, ist es notwendig, zu verstehen, wie sich Lithium-Ionen-Batterien in Rechenzentrumsanwendungen abnutzen.
Abnutzung der Lithium-Ionen-Batterie
Lithium-Ionen-Batterien verfügen über zwei weitgehend unabhängige Abnutzungsmodi: Zykluslebensdauer und Kalenderlebensdauer. In Rechenzentrumsanwendungen kommt es in der Regel selten zu einem Batteriewechsel. Die Kalenderlebensdauer ist dabei der wichtigste Faktor für die Nutzungsdauer.
Die Kalenderlebensdauer beschreibt, wie die Kapazität der Batterie im Laufe der Zeit abnimmt. Wie bei anderen Batterietechnologien ist die Temperatur ein wesentlicher Faktor für die Kalenderlebensdauer. Eine Lithium-Ionen-Batterie, die bei höheren Temperaturen betrieben wird, wird schneller abgenutzt als die gleiche Batterie bei niedrigeren Umgebungstemperaturen.
Da Lithium-Ionen-Batterien bereits seit über einem Jahrzehnt in Automobilanwendungen eingesetzt werden, verfügen die Hersteller von Batterien heute über ein großes Datenvolumen zur Kalenderlebensdauer, sowohl unter kontrollierten Laborbedingungen als auch unter realen Bedingungen. Diese Daten zeigen, dass sich Lithium-Ionen-Batterien vorhersagbar im Laufe der Zeit abnutzen und nicht ab einem bestimmten Kapazitätsniveau plötzlich abfallen. Die Daten sind außerdem mehr als ausreichend, um zuverlässige Projektionen über die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien zu ermöglichen, insbesondere in Rechenzentren, in denen die Umgebungstemperatur weit kontrollierter ist als im Kontext eines Fahrzeugs.
Während wir also nicht auf Anwendungen in Rechenzentren verweisen können, in denen Lithium-Ionen-Batterien seit zwölf oder dreizehn Jahren in Betrieb sind, können wir andere Erfahrungen heranziehen, um realistische Erwartungen für die Batterielebensdauer basierend auf dem spezifischen Batteriesystem und der jeweiligen Anwendung festzulegen.
Die Beziehung zwischen Abnutzung und Laufzeiten
Eine weitere häufig gestellte Frage bezieht sich auf die Auswirkung der Abnutzung auf die Laufzeiten, wenn die Batterie altert. Mit anderen Worten: Ist eine Lithium-Ionen-Batterie ähnlich wie Blei-Säure-Batterien anfällig für unerwartete Ausfälle im Laufe der Lebensdauer?
Wie bereits erwähnt, werden Lithium-Ionen-Batterien vorhersehbar abgenutzt, und die Abnutzungsrate nimmt tatsächlich mit zunehmendem Alter der Batterie ab. Infolgedessen dürften die Laufzeiten nicht von einem schnellen Rückgang der Kapazität betroffen sein. Lithium-Ionen-Batterien erfahren jedoch ebenso wie Blei-Säure-Batterien im Laufe der Zeit einen Anstieg ihres Innenwiderstands. Wenn die durch diesen Widerstand erzeugte Wärme Temperaturen erzeugt, die den im Batteriemanagementsystem (BMS) festgelegten Schwellenwert überschreiten, begrenzt das BMS die Laufzeiten, um die Batterie vor Überhitzung zu schützen. Trotzdem sind die projizierten Laufzeitänderungen bei Lithium-Ionen-Batterien vorhersehbarer und mit zunehmendem Alter weniger dramatisch als bei Blei-Säure-Batterien.
Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien
Anscheinend hat jeder von Lithium-Ionen-Batterien in Laptops oder anderen Geräten gelesen oder gehört, die in Brand geraten. Deshalb bekommen wir häufig Fragen zur Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien gestellt.
Für Lithium-Ionen-Batterien sind einige Umstände bekannt, die dazu führen können, dass sie sich entzünden oder Gase freisetzen, wenn der Innendruck zu hoch wird. Die Kenntnis dieser Gefahren und deren Kontrolle ist der primäre Zweck des BMS, das in das Lithium-Ionen-Batteriesystem integriert ist. Die kontinuierliche Überwachung der Zuverlässigkeit ist eine äußerst wertvolle, jedoch sekundäre Funktion des BMS.
Die größten Risiken des unsachgemäßen Gebrauchs sind im Allgemeinen Überladung, Überhitzung und Kurzschluss der Batteriezellen. Das BMS implementiert Kontrollen, die die Batterie innerhalb ihres sicheren Betriebsbereichs halten, basierend auf einer kontinuierlichen Messung der Zellspannungen, der Systemtemperaturen, des Batteriestroms und anderer Parameter. Die UL- oder CE-Zertifizierung des Batteriesystems verifiziert die Funktionalität und Wirksamkeit der BMS. Als Beispiel dafür, wie leistungsfähig das BMS diese Funktion ausführt, dient die Tatsache, dass die Hersteller das BMS bei der Durchführung von Brandtests normalerweise trennen müssen, da sie kein Feuer in der Batterie auslösen können, wenn das BMS in Betrieb ist.
Wir behandeln jedes dieser Themen sowie weitere häufig gestellte Fragen in unserem neuen Whitepaper Überlegungen zur Evaluierung von Lithium-Ionen-Batterien in stationären Anwendungen, und in Ergänzung, Häufig gestellte Fragen zur Verwendung von Lithium-Ionen-Batterien in USV-Anwendungen.
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