Einer der Hauptvorteile bei der Umstellung auf
Lithiumbatterien ist, dass die Batterielebensdauer ein Vielfaches der mit
Blei-Säure-Batterien möglichen beträgt . Angesichts der begrenzten Betriebsdaten von
USV-Anwendungen, die heute verfügbar sind, ist es für potenzielle Benutzer jedoch selbstverständlich, sich die Frage zu stellen, wie lange Lithiumbatterien tatsächlich halten.
Um diese Frage zu beantworten, muss zunächst verstanden werden, wie sich Lithiumbatterien unter normalen Umständen verschlechtern. Sie haben zwei weitgehend unabhängige Abbauarten: Kalenderleben und Zyklenleben.
Die Kalenderlebensdauer beschreibt, wie die Kapazität im Laufe der Zeit abnimmt und wie der Widerstand zunimmt. Bei der Kalenderlebensdauer ist die Betriebstemperatur des Akkus der wichtigste Faktor für die Lebensdauer. Hitze kann den Abbau beschleunigen und kühlere Temperaturen minimieren den Abbau.
Was die Zyklenlebensdauer angeht, ist der Begriff selbst leicht zu verstehen, aber die Prognose der Zyklenlebensdauer einer Lithiumbatterie ist nicht so einfach, wie es scheint. Dies liegt daran, dass unterschiedliche Eigenschaften des Zyklus bestimmen, wie schädlich dieser Zyklus für die Batterie ist.
Ein grundlegender Test in der Lithiumindustrie besteht darin, den Akku in einer Stunde vollständig zu entladen und ihn dann bei Raumtemperatur (25 °C / 77 °F) in einer Stunde wieder vollständig aufzuladen. Für hochwertige Zelldesigns ist dies ein einfacher Test, der Tausende von Zyklen erfordert, bevor die Zelle 80 % ihrer ursprünglichen Kapazität erreicht. Allerdings hängt die Zyklenlebensdauer typischerweise sehr empfindlich von den Lade- und Entladeraten und anderen Faktoren ab.
Eine Zusammenfassung der Schlüsselfaktoren, die die Zykluslebensdauer beeinflussen, ist in Abbildung 1 dargestellt.
| Zyklusparameter |
Einfluss auf das Zyklusleben |
Beschreibung |
| Lade-/Entladerate |
Bedeutsam |
Das Laden oder Entladen eines Akkus mit höheren Geschwindigkeiten als vorgesehen verkürzt die Lebensdauer erheblich |
| Entladungstiefe |
Mäßig |
Eine teilweise Entladung einer Batterie vor dem Aufladen ist weniger schädlich als eine vollständige Entladung |
| Temperatur |
Mäßig |
Während eine wärmere Batterie einen geringeren Widerstand und eine geringere Selbsterwärmungsrate aufweist, sind kühlere Betriebstemperaturen im Allgemeinen besser für die Lebensdauer. Viele Lithium-Ionen-Batterien reagieren auch empfindlich auf das Laden bei kalten Temperaturen (normalerweise unter dem Gefrierpunkt), aber für Anwendungen in Rechenzentren stellt dies im Allgemeinen kein Problem dar |
| Fenster „Ladezustand“ (SOC). |
Unerheblich |
Wenn Sie eine Batterie mit teilweiser Entladung verwenden, ist es schädlicher, sie nahezu voll (100 % SOC) oder völlig leer (0 % SOC) zu wechseln, als ein Betriebsfenster bei teilweisen Ladezuständen festzulegen |
Abbildung 1: Zusammenfassung der Schlüsselfaktoren, die die Lebensdauer von Lithiumbatterien beeinflussen.
In Rechenzentrumsanwendungen ist die Kalenderlebensdauer in der Regel der Hauptfaktor, da der Akku selten gewechselt wird. Eine Ausnahme hiervon wäre, wenn USV-Batterien zur Unterstützung des Energiemanagements vor Ort oder zur Bereitstellung von Netzdiensten für das örtliche Stromverteilungsnetz verwendet werden. Diese Anwendungen sind nicht Gegenstand dieses Dokuments. In herkömmlichen Anwendungsfällen sind die Batterien die meiste Zeit ihrer Betriebsdauer im Leerlauf.
Um die kalendarische Lebensdauer zu beurteilen, lagern Zellenhersteller Batterien normalerweise über längere Zeiträume bei unterschiedlichen Temperaturen und überprüfen regelmäßig ihre verbleibende Kapazität. Durch die Darstellung dieser Daten lässt sich ein Zusammenhang zwischen Zeit, Temperatur und verbleibender Kapazität herstellen. Nachdem genügend Daten gesammelt wurden, ist es möglich, die Daten an eine allgemein akzeptierte Gleichung für die Kalenderlebensdauer anzupassen, die sich über Jahrzehnte in der Praxiserfahrung mit Lithium-Ionen-Batterien bewährt hat. Ein Beispiel für ein Kalenderlebensdiagramm einer Lithiumbatterie (NCM) ist in Abbildung 2 dargestellt.
Abbildung 2 zeigt, dass bei der jeweiligen getesteten Lithiumbatterie nach etwa zehn Jahren bei Temperaturen von 23 °C (73 °F) noch 80 % der ursprünglichen Kapazität einer NCM-Batterie vorhanden sind. Verschiedene Lithiumbatterien wie Lithiumeisenphosphat weisen unterschiedliche Verschlechterungsraten auf.
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