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Bicker Elektronik Wenn die Sicherheit zählt – Non-stop-Power im Vergleich

| Autor / Redakteur: Apostolos Baltos, Jochen Kessens* / Julia Engelke

Die unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) von Systemen und Komponenten ist in der Medizin- und Labortechnik essentiell oder oft gar von lebenserhaltender Bedeutung. Welche Energiespeicher bieten sich hier an?

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Das modulare DC-USV-
System Bicker UPSI-2412 mit 
sicheren und langlebigen 
LiFePO4-Batteriepacks 
bewahrt DC-Verbraucher 
in der Medizin- und 
Labortechnik vor Strom-
ausfällen, Spannungs-
einbrüchen und 
Flickern.
Das modulare DC-USV-
System Bicker UPSI-2412 mit 
sicheren und langlebigen 
LiFePO4-Batteriepacks 
bewahrt DC-Verbraucher 
in der Medizin- und 
Labortechnik vor Strom-
ausfällen, Spannungs-
einbrüchen und 
Flickern.
(Bild: Adobe Stock / Kzenon / Bicker)
  • Lithium-Ionen-Batterietechnologie (Li-Ion) als Nachfolger der herkömmlichen Blei-Schwefelsäure-Batteriechemie
  • Lithium-Eisen-Phosphat (LiFePO4) eine stabile chemische Verbindung mit erhöhter Sicherheit für das Kathodenmaterial

Mess-, Steuer- und Regelungstechnik, Embedded-PCs, Robotik- und Stellantriebe, Kameras, Sensorik oder mobile Systeme müssen in Medizingeräten zuverlässig vor Ausfällen, Flicker oder Spannungseinbrüchen der DC-Stromversorgung geschützt werden. Als Energiespeicher eignen sich für kurze Überbrückungszeiten sogenannte Supercaps (Ultrakondensatoren), für mittlere und längere Überbrückungszeiten kommen hingegen klassische Blei-Gel-Batterien, Reinblei-Zinn-Batterien (Cyclon-Zellen), konventionelle Lithium-Ionen-Zellen (u.a. LCO und NMC) sowie Lithium-Eisen-Phosphat-Zellen (LiFePO4) zum Einsatz.

Als Nachfolger der herkömmlichen Blei-Schwefelsäure-Batteriechemie hat sich mittlerweile die moderne Lithium-Ionen-Batterietechnologie (Li-Ion) durchgesetzt, mit welcher sich besonders hohe Energiedichten mit einer Platz- und Gewichtseinsparung von bis zu 75 Prozent realisieren lassen. Ebenfalls vielfach größer als bei Blei-Gel-Batterien ist die Anzahl der Ladezyklen, die realisierbare Entladetiefe DoD (Depth of Discharge) sowie die Lebensdauer.

Bei der Auswahl eines Li-Ion-Energiespeichers für DC-USV-Systeme empfiehlt sich jedoch ein genauer Blick auf das eingesetzte Kathodenmaterial, denn insbesondere in sicherheitstechnischer Hinsicht sorgt diese Technologie immer wieder für negative Schlagzeilen mit brennenden oder schmelzenden Batteriepacks. Die hohe erzielbare Energiedichte aufgrund der elektrochemischen Vorteile von Lithium birgt auch ein erhöhtes Brandrisiko. Gerade bei Zellen mit chemisch und thermisch instabilem Kathodenmaterial wie Lithium-Kobalt-Oxid (LCO) oder Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid (NMC) können starke Wärmeentwicklung bei Überladung, ein Kurzschluss, mechanische Beschädigung, produktionsbedingte Verunreinigungen oder starke äußere Hitzeeinwirkung eine zellinterne exothermische chemische Reaktion auslösen. Die freiwerdende Wärmeenergie erhöht die Reaktionsgeschwindigkeit der Zellchemie und lässt die zellinterne Temperatur weiter ansteigen. Dieser sich selbst beschleunigende Prozess kann bei Überschreitung einer spezifischen Temperaturgrenze nicht mehr gestoppt werden – es kommt zum gefährlichen Thermal Runaway.

Mit Lithium-Eisen-Phosphat (LiFePO4) steht für das Kathodenmaterial eine stabile chemische Verbindung mit erhöhter Sicherheit zur Verfügung. Im Falle einer Überladung ist die entstehende Wärmeenergie wesentlich geringer als bei LCO/NMC-Zellen. Selbst beim „Nageltest“ (interner Kurzschluss der Zelle durch Eindringen eines metallischen Körpers) ist ein thermisches Durchgehen der LiFePO4-Zelle nahezu ausgeschlossen, da Lithium-Eisen-Phosphat im Fehlerfall nur wenig bis gar keinen Sauerstoff abgibt und die spezifische Temperatur für einen Thermal Runaway mit 270 °C deutlich höher liegt als bei anderen Kathodenmaterialien. Insgesamt sind LiFePO4-Zellen wesentlich unempfindlicher gegenüber Hitze und selbst die Verwendung bei Minus-Temperaturen ist möglich.

Lithium-Eisen-Phosphat – eine sichere und langlebige Technologie

Darüber hinaus verfügen Lithium-Eisen-Phosphat-Energiespeicher im direkten Vergleich zu anderen Lithium-Ionen-Batterien über eine höhere Leistungsdichte, was hohe Lade- und Entladeströme (Schnellladung) sowie eine erhöhte Impulsbelastbarkeit ermöglicht. Mit einer 10-fach höheren Zyklenanzahl ( >3.000 Lade- und Entladezyklen bei 80 Prozent der Anfangskapazität) im Vergleich zu LCO/NMC und einer niedrigen Total Cost of Ownership (TCO) bieten LiFePO4-Energiespeicher somit optimale Langzeiteigenschaften mit geringem Wartungsaufwand und einem hohen Maß an Investitionsschutz und funktionaler Sicherheit.

Nicht zuletzt leistet LiFePO4-Batterietechnologie durch den Verzicht auf giftige Schwermetalle wie Nickel oder den seltenen Rohstoff Kobalt einen aktiven Beitrag zum Schutz von Mensch und Umwelt. All diese Vorteile empfehlen Lithium-Eisen-Phosphat-Batteriezellen als sichere und besonders langlebige Energiespeicher für DC-USV-Systeme in der Medizin- und Labortechnik.

Ausgestattet mit einem Hochleistungs-Batterie-Management-System (BMS) sind entsprechende LiFePO4-Energiespeicher sowohl als geschrumpfte Batteriepacks BP-LFP, als auch in einer DIN-Rail-Gehäusevariante BP-LFP-D bei Bicker Elektronik verfügbar. Die robusten LiFePO4-Batteriepacks sind zudem in der Outdoor-USV-Lösung UPSI-IP mit geschlossenem Aluminiumgehäuse und IP67-Schutz für extreme Umgebungsbedingungen verbaut.

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* Die Autoren Apostolos Baltos und Jochen Kessens arbeiten als Designing Engineers bei der Bicker Elektronik GmbH.

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