Der Batteriesatz einer UPS wird häufig mit einer einfachen Division ausgelegt: die Last in Watt, die Batterie in Amperestunden und das Ergebnis in Stunden. Das Ergebnis ist meist optimistisch. Batterien geben bei hohem Strom nicht ihre volle 20-Stunden-Kapazität ab, der Wechselrichter arbeitet nicht mit 100% Wirkungsgrad, und auch die nutzbare Entladetiefe beträgt nicht 100%.
Dieser Artikel erläutert die korrekte Berechnungsmethode, die beiden dominierenden Batteriechemien und die Verfahren zur Prüfung vor Ort, mit denen die Autonomie im glaubwürdigen Bereich bleibt.
Der Batteriesatz ist zudem die einzige Komponente der UPS, die kontinuierlich altert. Eine Autonomie, die bei der Inbetriebnahme den Anforderungen entsprach, verändert sich Jahr für Jahr je nach Temperatur, Zyklenzahl und Zellgleichmäßigkeit. Die Berechnung ist daher nur der erste Schritt: Bei der Auslegung des Systems sind auch die Alterungsreserve und die Prüfung vor Ort zu berücksichtigen.
Warum lässt sich die Autonomie nicht durch Division der Ah berechnen?
Die Nennkapazität in Ah einer Batterie wird üblicherweise bei einer Entladerate von 20 Stunden angegeben. Eine 100-Ah-Batterie kann 20 Stunden lang 5 A liefern; bei einer Entladung mit 100 A hält sie jedoch keine Stunde durch. Sowohl der Innenwiderstand als auch die elektrochemische Kinetik verringern die verfügbare Kapazität: Je höher der Strom, desto geringer die effektive Kapazität.
Der Wechselrichter bringt eine weitere Verlustebene hinzu. Ein Wirkungsgrad von 0.85 bedeutet, dass 15% der DC-Energie verloren gehen, bevor sie die Last erreichen. Die Entladetiefe ist die dritte Einschränkung: Ein VRLA-Satz wird üblicherweise auf 50–60% Entladetiefe begrenzt, um eine angemessene Zyklenlebensdauer zu erhalten; ein LiFePO4-Modul kann 80–90% nutzen.
Die korrekte Methode besteht darin, die Entladetabelle des Batterieherstellers für die vorgesehene Endspannung und den vorgesehenen Strom heranzuziehen. Die Formel liefert den Ausgangspunkt, die Tabelle die Autonomie.
Innerhalb eines Batteriestrangs beeinträchtigt auch die mangelnde Gleichmäßigkeit zwischen den Zellen die Gesamtleistung: Beim Laden erreicht die schwache Zelle früher die obere Grenze, beim Entladen früher die untere Grenze; die nutzbare Kapazität des gesamten Strangs wird von der schwächsten Zelle bestimmt. Die Mischung neuer und alter Batterien verstärkt diese Ungleichheit, daher sind in einem Strang nur Batterien desselben Modells und derselben Charge zu verwenden.
Wie wird die Kapazität des Batteriesatzes berechnet?
Verwenden Sie die vereinfachte Formel:
Ah = kW × 1,000 × Stunden ÷ (DC-Busspannung × Wechselrichterwirkungsgrad × nutzbare Entladetiefe)
Für eine Last von 7.2 kW, 1 Stunde, einen Bus von 192 VDC, einen Wirkungsgrad von 0.85 und eine Entladetiefe von 0.6 ergibt sich ein Wert von etwa 73.5 Ah. Ein Strang aus 16 Batterien 12 V 100 Ah mit 100 Ah Nennkapazität deckt das Ziel mit einem kleinen Puffer ab. Für 2 Stunden verdoppeln sich die erforderlichen Ah auf etwa 147 Ah, sodass zwei Stränge benötigt werden.
| Last | Autonomie | DC-Bus | Geschätzte Ah | Stränge 12 V 100 Ah |
|---|---|---|---|---|
| 3 kW | 30 min | 72 V | 35 Ah | 1 (6 Einheiten) |
| 3 kW | 1 h | 72 V | 69 Ah | 1 (6 Einheiten) |
| 7.2 kW | 30 min | 192 V | 37 Ah | 1 (16 Einheiten) |
| 7.2 kW | 1 h | 192 V | 74 Ah | 1 (16 Einheiten) |
| 7.2 kW | 2 h | 192 V | 147 Ah | 2 (32 Einheiten) |
| 14.4 kW | 1 h | 192 V | 147 Ah | 2 (32 Einheiten) |
| 36 kW | 1 h | 384 V | 184 Ah | 2 (64 Einheiten) |
Die Anzahl der Einheiten bezieht sich auf Batterien mit 100 Ah. Eine Batterie mit geringerer Kapazität erfordert mehr parallele Stränge, eine mit größerer Kapazität weniger. Die vom Hersteller empfohlene Anzahl paralleler Stränge darf nicht überschritten werden.
Wo liegt der tatsächliche Autonomieunterschied zwischen VRLA und LiFePO4?
Ein VRLA-Satz wird üblicherweise mit einer nutzbaren Entladetiefe von 50–60% ausgelegt. Ein LiFePO4-Modul kann 80–90% nutzen, sodass dieselbe Nennenergie eine größere Autonomie bietet. Die Entladekurve von LiFePO4 ist flacher, sodass der Wechselrichter während der gesamten Entladung eine stabilere DC-Spannung sieht.
Die Anschaffungskosten für LiFePO4 sind höher, doch die nutzbare Energie pro kWh, die Zyklenlebensdauer und das Gewicht sind besser. Für eine Autonomie von 2 Stunden in einem Raum mit begrenzter Fläche kann der Lithium-Satz kleiner und leichter sein als der Blei-Säure-Satz; für ein Ride-Through von 5 Minuten in einem kühlen Raum ist VRLA meist die kostengünstigste Option.
Der Unterschied in der Zyklenlebensdauer wächst bei täglicher Ladung und Entladung schnell; wird die Batterie nur wenige Male pro Jahr entladen, sind die Anschaffungskosten und die Kompatibilität des Ladegeräts meist wichtiger als die Zyklenzahl.
| Kriterium | VRLA | LiFePO4 |
|---|---|---|
| Nutzbare Entladetiefe | 50–60% | 80–90% |
| Zyklenlebensdauer | 300–600 Zyklen bei 50% DOD | 6,000 Zyklen bei 80% DOD |
| Gewicht | Hoch | Etwa ein Drittel |
| Platzbedarf | Größer | Geringer |
| Ladegerät | Blei-Säure-Kennlinie | Lithium-Kennlinie + BMS |
| Temperaturempfindlichkeit | Hoch | Mäßig |
| Anschaffungskosten | Geringer pro kWh | Höher pro kWh |
Wie wirkt sich die Temperatur auf die Autonomie aus?
Niedrige Temperaturen verringern die verfügbare Kapazität der Batterie, während hohe Temperaturen ihre Lebensdauer verkürzen. Eine VRLA-Batterie kann bei 0 °C nur 80–85% ihrer Kapazität bei 25 °C liefern; bei 40 °C ist ihre Kapazität möglicherweise höher, doch ihre Lebensdauer wird deutlich verkürzt. LiFePO4 hat ein breiteres Betriebsfenster, benötigt für die angegebene Zyklenlebensdauer jedoch weiterhin einen temperaturgeregelten Raum.
Der VRLA-Batterieraum sollte zwischen 20 und 25 °C gehalten werden. Pro 10 °C über 25 °C halbiert sich die Auslegungslebensdauer etwa. Eine Batterie, die bei 35 °C „noch funktioniert“, kann im Jahr 3 statt im Jahr 8 ausfallen.
Die Wirkung niedriger und hoher Temperaturen verläuft in unterschiedliche Richtungen: Erstere verringern die zu diesem Zeitpunkt abgebbare Energie; Letztere können die Kapazität kurzfristig erhöhen, jedoch auf Kosten der Lebensdauer. Bei der Dimensionierung des Batteriesatzes ist nach der ungünstigsten Temperatur am Aufstellungsort zu korrigieren, nicht nach dem Idealwert von 25 °C.
Wann sollte ein Lithiummodul gewählt werden?
Wählen Sie LiFePO4, wenn die Autonomie lang, der Raum klein, die Zyklenzahl hoch oder das Gewicht ein kritischer Faktor ist. Ein Modul mit 51.2 V 100 Ah speichert etwa 5.12 kWh und wiegt rund 45 kg; ein vergleichbarer Blei-Säure-Satz ist deutlich schwerer und voluminöser. In einem Raum auf dem Dach oder in oberen Etagen kann der Gewichtsunterschied die Auslegung entscheiden.
Verwenden Sie Lithiumbatterien jedoch nicht, wenn das Ladegerät nicht kompatibel ist. Ein Blei-Säure-Ladegerät kann die Busspannung auf einem Niveau halten, dem die Lithiumzellen nicht standhalten, oder es liefert möglicherweise nicht die korrekte Ladekennlinie. Zudem muss das BMS mit der UPS kommunizieren, um einen vollständigen Schutz zu gewährleisten.
| Anwendung | Empfohlene Chemie | Grund |
|---|---|---|
| Ride-Through von 5–15 min | VRLA | Geringere Kosten, einfaches Ladegerät |
| Serverraum 1–2 h | VRLA oder LiFePO4 | Platzbedarf und Lebenszyklus vergleichen |
| Remote-Standort 4–8 h | LiFePO4 | Nutzbare Energie und Gewicht |
| Tägliches Zyklieren / Solar | LiFePO4 | Zyklenlebensdauer |
| Heißer Raum | LiFePO4 oder VRLA mit Kühlung | Temperaturtoleranz |
Wie wird die Autonomie nach der Installation geprüft?
Führen Sie einen Entladetest mit Last bei der Auslegungslast durch und messen Sie die Zeit bis zur Entladeschlussspannung. Erfassen Sie die Batterietemperatur, die Strangspannung und die schwächste Batterie. Eine UPS, die „Batterie OK“ meldet, kann unter Last dennoch ausfallen.
Der Test muss mit der Auslegungslast durchgeführt und bis zur Endspannung fortgesetzt werden, damit die schwächste Batterie erkennbar wird. Ein kurzer Test mit geringer Last belegt die tatsächliche Autonomie nicht.
Prüfen Sie alle 12–24 Monate sowie nach einer Tiefentladung oder nach dem Austausch der Batterien. Fällt die Autonomie unter die Anforderung des Standorts, ersetzen Sie den Satz oder erhöhen Sie die Kapazität. Warten Sie nicht auf einen realen Stromausfall, um festzustellen, dass die Batterien geschwächt sind.
Checkliste für die Batterie
- Rechnen Sie kW mit DC-Bus, Wirkungsgrad und nutzbarer Entladetiefe in Ah um.
- Ziehen Sie die Hochstrom-Entladetabelle heran; verlassen Sie sich nicht auf den 20-Stunden-Nennwert.
- Halten Sie den Batterieraum bei 20–25 °C.
- Bestätigen Sie den Ladestrom und die maximale Batteriekapazität.
- Mischen Sie keine neuen und alten Batterien in einem Strang.
- Verwenden Sie LiFePO4 nur, wenn Ladegerät und BMS kompatibel sind.
- Prüfen Sie die Autonomie alle 12–24 Monate mit der Auslegungslast.
Die Batterie ist die Komponente der UPS, die die Autonomie bestimmt, und verdient dieselbe ingenieurmäßige Aufmerksamkeit wie das Gerät selbst – nicht als nachträglich ergänzte Position im Bestellvorgang.
