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Die richtige Stromquelle für Smart-Meter-Anwendungen

10. März 2020, 12:08 Uhr   |  Von Marc Henn, Application Engineering Manager and Sales bei Tadiran

Die richtige Stromquelle für Smart-Meter-Anwendungen
© Tadiran

Pulstest, D-Zelle bei Raumtemperatur unter 30 mA Pulsbelastung nach 15 Jahren Lagerung mit üblicher Hintergrundlast. Die rosa Kurve zeigt die Zellspannung während des Pulses. Die Spannung fällt bis unter 2,5 Volt. Grund des Spannungseinbruchs ist der Impedanzanstieg der Zelle über die Lagerzeit. Die grüne Kurve zeigt die Zelle mit einem parallel geschalteten HLC. Der Spannungseinbruch wird hier durch den HLC vollständig kompensiert.

Der weltweite Trend bei Energieversorgungsunternehmen geht von der manuellen Zählerablesung hin zu stärker automatisierten Prozessen. So sollen die Daten­erfassung und der Kundenservice verbessert und letztlich die Produktivität gesteigert werden.

Laut Glenn Emelko, ehemaliger Executive Director of Technology bei Aclara, einem US-amerikanischen Anbieter von Smart-Infrastructure-Lösungen, »verlangen die Endkunden robuste Lösungen, die niedrigste Gesamtbetriebskosten bieten. Eine lange Lebensdauer und die Zuverlässigkeit des Systems sind beide von entscheidender Bedeutung«.

Wahl der Batterietechnologie

Die Entwicklung eines intelligenten Zählersystems, welches 20 oder mehr Jahre wartungsfreie Funktion liefert, ist ein anspruchsvoller Prozess. In der Regel liegt hier der Fokus der Entwickler auf kleinen und robusten Stromquellen, die eine hohe Zellspannung bereitstellen und ein gutes Preis-Leistungs-Verhältnis aufweisen. Primärbatterien können die für diese Anwendungen erforderliche Energiemenge bereitstellen. Dies trifft insbesondere auf Gaszähler zu, bei denen die Sicherheitsnormen wiederaufladbare Lösungen i.d.R. ausschließen.

Die Konstrukteure müssen sich zuerst einen Überblick verschaffen, welche der auf dem Markt verfügbaren Batterietechnologien die für die Anwendung erforderlichen Eigenschaften aufweisen. Es steht eine Reihe zur Auswahl, darunter Zink-Kohle, Zink-Luft, Alkaline und eine Vielzahl von Lithium-basierten Systemen. Die Batterietechnologie auf Lithium-Basis bleibt die bevorzugte Wahl für langlebige, intelligente Zähler, da sie sich durch ihre hervorragenden elektrochemischen Eigenschaften von den anderen abhebt.

Lithium ist das leichteste Metall und bietet die höchste spezifische Energiedichte. Wenn eine extrem lange Batterielebensdauer, ein erweiterter Temperaturbereich und eine kompakte Batteriegröße gepaart mit geringem Gewicht wichtig sind, so heißt die Technologie der Wahl Lithium-Thionylchlorid. Sie ist in zwei Bauarten erhältlich: als Bobbin- oder als Spiralbatteriekonstruktion. Sowohl spiralgewickelte als auch Bobbin-Lithium-Thionylchlorid-Batterien verwenden einen nichtwässrigen Elektrolyten. Dies führt aber zu einer relativ hohen Impedanz, also geringer Strompulsfähigkeit.

Spiralförmig gewickelte Zellen reduzieren diese, indem sie die Oberfläche von Anode und Kathode vergrößern. Dies reduziert allerdings die Gesamtkapazität und führt zu einer geringeren Energiedichte (aufgrund von mehr inaktivem Material innerhalb der Zelle) und somit zu einer kürzeren Betriebsdauer. Zudem bedingt die größere aktive Oberfläche eine höhere Selbstentladungsrate. Spiralgewickelte Zellen haben somit in der Regel eine maximale Lebensdauer von ca. zehn Jahren.

Im Gegensatz dazu sind Bobbin-Li/SOCI2-Zellen in der Lage, eine weitaus höhere Energiedichte (1420 Wh/kg) und Kapazität zu liefern. Sie überstehen extreme Temperaturen (–55 °C bis +130 °C) und bieten aufgrund der geringen jährlichen Selbstentladung (<1 % pro Jahr) eine sehr lange Lebensdauer von bis zu 20 oder mehr Jahren.

Intelligente Verbrauchzähler, aber auch andere kommunikationsfähige Anwendungen, die hohe Stromimpulse benötigen, bringen sowohl spiralgewickelte als auch Bobbin-Lithiumbatterien an ihre technischen Grenzen. Bobbin-Zellen haben zwar eine ideale Kapazität und Energiedichte, erlauben aber nur geringe Strom­impulse. Um dies zu kompensieren, ist die am häufigsten realisierte Lösung eine Kombination mit einem Hochleistungskondensator (z.B. Hybridschicht-Kondensator oder Superkondensator). Diese Komponenten puffern hohe Strom­impulse, während die Primärzelle als langlebige Energiequelle fungiert. Die sorgfältige Auswahl des Kondensators ist daher für eine zuverlässige Stromversorgung essenziell.

Sobald die richtige Batterietechnologie gefunden ist, müssen Konstrukteure eine sorgfältige Validierung durchführen, um zu verifizieren, dass die von ihnen spezifizierte Lithiumbatterie wie gefordert funktionieren kann. Angesichts der raschen Zunahme kostengünstiger und qualitativ minderwertiger Produkte auf dem Markt ist hier aber Achtsamkeit erforderlich. Eine Batterielebensdauer von mehr als 20 Jahren zu versprechen ist eine Sache. Sie abzuliefern, ist eine ganz andere Sache.

Die Lebenserwartung
von Batteriezellen

Die Berechnung der zu erwartenden Betriebsdauer anhand der Nennkapazität von Batteriezellen ist i.d.R. nicht zielführend. Die in der Anwendung verfügbare Kapazität hängt maßgeblich von der Selbstentladungsrate und vom Impedanzverlauf während der Entladung ab.

Eine Abschätzung der Langzeiteigenschaften auf Basis von schnellen Labortests kann für Lithium-Primärbatterien nicht als praktikabel angesehen werden. Echtzeitdaten sind hier die erste Wahl, wenn es um die Vorhersage der Batterie­lebensdauer unter verschiedenen Anwendungsbedingungen geht.

Eine typische Anwendung des Smart Metering (Ruhestrom 40 µA, Sensor alle 2 s für 10 ms mit 10 mA) ist ein elektronischer Gaszähler mit elektrischem Ventil (35 mA für 3 s einmal pro Monat) mit Prepayment-Funktion und Low-Power-Funk-Kommunikation (35 mA für 1 s, einmal pro Stunde). Im Temperaturbereich zwischen –20 °C und +55 °C und einer Mindestspannung von 2,9 V kann Tadiran belegen, dass eine PulsesPlus-Batterie (3,6 Volt Lithium-Thionyl), die aus einer D-Zelle vom Typ SL-2880 und einem HLC-1020L besteht, diese Art von Anwendung für mindestens 17 Jahre mit Strom versorgen kann. Dies erfüllt die gängige 15-Jahres-Anforderung auf dem Markt mit einem komfortablen Sicherheitspuffer.

Basis für solche Aussagen ist die unternehmenseigene proprietäre Lebensdauerberechnungs-Datenbank. Deren Zuverlässigkeit wird fortlaufend durch eigene Versuchsreihen und Anwendungstests verifiziert.

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