Natrium-Ionen-Akku Die Speicherkapazität kann die Anlaufströme von Pumpenmotoren nur dann bewältigen, wenn das System nicht nur für die Betriebsleistung, sondern auch für den Anlaufstrom ausgelegt ist. Pumpenmotoren benötigen beim Anlauf unter Umständen ein Vielfaches ihres Normalstroms, sodass Schätzwerte von „5–8ד lediglich für eine erste Vorauswahl geeignet sind. Die endgültige Dimensionierung sollte auf der Grundlage der Angaben auf dem Typenschild des Motors, der Daten bei blockiertem Rotor, der Grenzwerte des Frequenzumrichters sowie von Anwendungstests erfolgen.
Selbst bei ausreichender kWh-Leistung kann die Pumpe ausfallen, wenn der Wechselrichter auslöst, das BMS die Verbindung trennt oder der Spannungseinbruch den Abschaltpunkt überschreitet. Die entscheidende Frage ist, ob das System Anlaufstrom, Beschleunigungszeit, Spannungseinbruch und wiederholte Starts bewältigen kann, ohne eine Schutzgrenze zu überschreiten.
Dieser Artikel befasst sich mit Wechselstrompumpen, die über einen Wechselrichter mit Strom versorgt werden. Bei Gleichstrompumpen sollten Sie außerdem den Spannungsbereich des Reglers, die Motorstrombegrenzung, die Kabelverluste und die Spitzenstromkapazität des BMS berücksichtigen.
Kamada Power 48 V, 200 Ah Natrium-Ionen-Batterie
Die Inbetriebnahme einer Pumpe ist in erster Linie ein Stromproblem und erst in zweiter Linie ein Energieproblem
Beim Betrieb einer Pumpe gibt es zwei unterschiedliche Anforderungen: das Anlaufen und den Dauerbetrieb. Die Betriebsenergie bestimmt, wie lange die Pumpe laufen kann, während die Anlaufleistung darüber entscheidet, ob die Pumpe überhaupt anlaufen kann. Dabei handelt es sich nicht um dasselbe konstruktive Problem.
Eine Pumpe läuft zwar mit einer überschaubaren Leistung, sobald der Motor seine Drehzahl erreicht hat, doch beim Anlauf kann für kurze Zeit ein deutlich höherer Strombedarf auftreten. Die Batterie, der Wechselrichter, das BMS, die Kabel, die Sicherungen, die Steckverbinder und die Steuerung müssen dieses kurze Ereignis überstehen, bevor die Laufzeit überhaupt eine Rolle spielt.
Für Natrium-Ionen-Speicher bedeutet dies, dass die Kapazität allein nicht ausreicht. Ein größerer Akku kann zwar die Laufzeit verlängern, doch wenn die Spitzenstromgrenze des BMS, die Stoßbelastbarkeit des Wechselrichters oder die Gleichstromverkabelung den Anlaufvorgang nicht unterstützen können, kann es dennoch vorkommen, dass die Pumpe nicht anspringt.
Dies ist das häufigste Missverständnis bei Projekten zur Pumpenreserveversorgung: Ausreichende Energie bedeutet nicht immer ausreichende Anlaufleistung.
Der Pumpentyp beeinflusst die Herausforderungen beim Anfahren
Nicht jede Pumpe verursacht die gleiche Anlaufbelastung. Eine kleine Umwälzpumpe, eine Bewässerungspumpe, eine Tiefbrunnenpumpe, eine Druckerhöhungspumpe, eine Sumpfpumpe, eine Förderpumpe und eine industrielle Prozesspumpe können das System unterschiedlich belasten.
Manche Pumpen lassen sich leicht anlaufen, während andere gegen Druck, Förderhöhe, Rohrleitungswiderstand, Rückschlagventile oder hohe mechanische Belastung anlaufen müssen. Eine Pumpe, die in einer Anlage problemlos anläuft, kann in einer anderen Anlage Schwierigkeiten haben, da die hydraulischen Bedingungen dort anders sind.
Motor und Pumpe sollten daher gemeinsam bewertet werden. Ein Batteriesystem, das eine Pumpe bei geringer Belastung startet, kann denselben Motor möglicherweise nicht starten, wenn dieser an einen tieferen Brunnen, eine höhere Förderhöhe, ein klemmendes Rückschlagventil, eine lange Rohrleitung oder einen Druckbehälter angeschlossen ist, wodurch sich das Anlaufdrehmoment erhöht.
Wenn der Motor länger zum Beschleunigen braucht, hält der hohe Stromfluss länger an. Das BMS, der Wechselrichter und die Kabel sind dann über einen längeren Zeitraum einer höheren Belastung ausgesetzt. Die Batterie erkennt nicht nur die Nennleistung des Motors, sondern auch die tatsächlichen Startbedingungen.
Der Wechselrichter muss den Stromstoß überstehen
Bei Wechselstrom-Pumpenmotoren ist der Wechselrichter oft die erste Begrenzungseinrichtung. Er muss den Gleichstrom der Batterie in Wechselstrom umwandeln und gleichzeitig den Anlaufstrom der Pumpe bewältigen. Ist die Spitzenstromfestigkeit des Wechselrichters zu gering, kann es zu einer Störung kommen, noch bevor die Batterie tatsächlich das Problem darstellt.
Ist die Unterspannungsabschaltung des Wechselrichters zu hoch eingestellt, kann es vorkommen, dass er sich abschaltet, wenn die Gleichstrom-Eingangsspannung beim Anlaufen abfällt. Ist die Neustartlogik unzureichend, kann es zu wiederholtem Ein- und Ausschalten der Pumpe kommen, was zu einer höheren Belastung führt.
Ein Natrium-Ionen-Akku mag zwar Strom liefern können, doch der Wechselrichter muss diesen auch verarbeiten können. Aus diesem Grund sollte der Anlauf der Pumpe am Eingang des Wechselrichters überprüft werden und nicht nur an den Batterieklemmen.
Der Wechselrichter trifft seine Entscheidung auf der Grundlage der Spannung, die er nach Kabelverlusten, Sicherungsausfällen, Steckverbinderwiderständen, BMS-Spannungsabfällen und dem internen Widerstand des Akkupacks misst. Eine intakte Batterie kann für den Wechselrichter dennoch als schwach erscheinen, wenn der Gleichstrompfad unterdimensioniert ist.
Das BMS muss auf den Spitzenstrom und die Dauer ausgelegt sein
Das BMS sollte nicht ausschließlich anhand des Dauerentladestroms ausgewählt werden. Beim Anlaufen der Pumpe kann ein kurzer Spitzenstrom erforderlich sein. Ist die Spitzenstromgrenze des BMS zu niedrig, kann es vorkommen, dass sich der Akku abschaltet, bevor die Pumpe ihre Drehzahl erreicht hat.
Ist die Spitzen-Dauer zu kurz, kann es vorkommen, dass sich der Motor kurz dreht und dann wieder stoppt. Befindet sich der Temperaturschutz des BMS nahe an seinem Grenzwert, können wiederholte Starts zu einer thermischen Überlastung führen, selbst wenn die einzelnen Starts nur kurz sind.
An dieser Stelle wird die Natrium-Ionen-Speicherung zu einer Frage des Designs des fertigen Akkupakets. Die Zellen, die Leistungsstufe des BMS, die Sammelschienen, die interne Verkabelung, Schütze oder MOSFETs, Klemmen, Sicherungen, Steckverbinder und der externe Kabelverlauf bilden zusammen eine einzige Anlaufstromkette.
Die schwächste Komponente entscheidet darüber, ob das System die Pumpe startet. Eine höhere Ah-Nennleistung löst ein BMS-Spitzenstromproblem nicht automatisch. Die Kapazität beeinflusst die Laufzeit. Die Auslegung des Strompfads entscheidet darüber, ob der Motor anlaufen kann.
Ein Spannungsabfall ist meist der versteckte Auslöser
Der Anlauf der Pumpe schlägt oft fehl, weil die Spannung für kurze Zeit zu stark abfällt. Während des Anlaufs verursacht der hohe Strom einen Spannungsabfall an den Zellen, dem BMS, den Sammelschienen, den Kabeln, den Sicherungen und den Steckverbindern.
Fällt die Eingangsspannung des Wechselrichters unter den Abschaltwert, schaltet der Wechselrichter ab. Überschreitet der Akku einen vom BMS festgelegten Grenzwert für Unterspannung oder Überstrom, kann das BMS die Verbindung unterbrechen. Nach dem Stillstand der Pumpe kann die Spannung wieder ansteigen, was die Fehlerursache unklar erscheinen lässt.
Eine häufig vorgebrachte Beschwerde vor Ort lautet: „Die Batterie zeigt zwar noch Ladung an, aber die Pumpe springt nicht an.“ Das kann schon sein. Der Akku hat vielleicht noch Energie, aber das System kann die Spannung während des Startvorgangs einfach nicht hoch genug halten.
Bei Pumpenanwendungen ist die Spannung unter Last wichtiger als die Ruhespannung. Eine Überprüfung der Leerlaufspannung gilt nicht als Validierung der Inbetriebnahme.
Ein niedriger Ladezustand und kalte Witterungsbedingungen erschweren das Starten
Eine Pumpe, die bei voller Ladung startet, kann bei niedrigerem Ladezustand (SOC) ausfallen. Während sich die Batterie entlädt, verringert sich der Spannungsspielraum, und derselbe Anlaufstromstoß kann die Spannung unter den Abschaltpunkt des Wechselrichters oder den Schutzpunkt des BMS senken.
Wird das System im Freien oder in kalten Umgebungen betrieben, können der Innenwiderstand und Spannungsabfälle je nach Auslegung des fertigen Akkupacks und den Temperaturbedingungen zu größeren Herausforderungen werden.
Die Natrium-Ionen-Chemie könnte insbesondere für Pumpenanwendungen im Freien und an abgelegenen Standorten ein nützliches Potenzial bei niedrigen Temperaturen bieten. Die Fähigkeit zum Betrieb bei niedrigen Temperaturen ist jedoch kein automatischer Beweis für die Fähigkeit zum Hochstromanlauf von Pumpen im Winter.
Der Pumpenstart hängt nach wie vor von der Validierung des Spitzenstroms des fertigen Akkupakets, den BMS-Grenzwerten, der Stoßbelastbarkeit des Wechselrichters, dem Kabelwiderstand, dem Spannungsabfall bei niedrigem Ladezustand (SOC) sowie der Erholung nach wiederholten Starts ab.
Bei Wasserversorgungssystemen, Bewässerungsanlagen, solarbetriebenen Fernpumpen, landwirtschaftlichen Maschinen, Kühlsystemen für Telekommunikationsanlagen oder industriellen Notstromversorgungen liegen die schwierigen Betriebsbedingungen oft nicht bei vollem Ladezustand (SOC) unter milden Wetterbedingungen vor. Vielmehr handelt es sich um einen niedrigen Ladezustand (SOC), niedrige Temperaturen, lange Kabelwege und den Neustart der Pumpe unter realem Druck.
Wiederholte Starts können schwieriger sein als ein einzelner Start
Ein einzelner Starttest ist zwar nützlich, reicht aber möglicherweise nicht aus, um die gesamte Anwendung zu überprüfen. Viele Pumpen starten nicht einmalig und laufen dann ununterbrochen, sondern arbeiten im Zyklusbetrieb.
Eine Druckpumpe kann wiederholt anlaufen. Eine Sumpfpumpe kann stoßweise laufen. Eine Bewässerungsanlage kann je nach Zone anlaufen und abschalten. Eine Kühl- oder Prozesspumpe kann nach Steuersignalen wieder anlaufen. Jeder Anlauf verursacht einen weiteren Druckstoß.
Wiederholte Starts können den Wechselrichter, das BMS, die Kabel, die Sicherungen, die Steckverbinder und den Motor erhitzen. Außerdem können sie Probleme bei der Erholung aufdecken. Ein System kann die Pumpe einmal starten, dann aber nach dem dritten oder vierten Start ausfallen, weil sich Wärme angestaut hat, der Ladezustand (SOC) gesunken ist oder sich der Wechselrichter nicht korrekt erholt hat.
Ein Natrium-Ionen-Speichersystem für Pumpen sollte daher anhand des tatsächlichen Betriebsverhaltens der Pumpe beurteilt werden und nicht anhand eines einmalig erfolgreichen Starts.
Sanftanlaufgeräte und Frequenzumrichter können den Batteriebedarf verändern
Ein Sanftanlasser oder ein Frequenzumrichter kann die Belastung beim Anlaufen verringern, indem er die Beschleunigung des Motors steuert. Dadurch lassen sich Batteriespeicher in Pumpensystemen besser einsetzen, insbesondere dort, wo ein Direktstart einen zu hohen Einschaltstrom erfordern würde.
Diese Geräte machen jedoch eine Systemanpassung nicht überflüssig. Ein Frequenzumrichter oder Sanftanlasser hat nach wie vor bestimmte Anforderungen an die Eingangsleistung, es entstehen Umwandlungsverluste, und es sind ein bestimmtes Regelverhalten sowie Schutzvoreinstellungen zu berücksichtigen.
Das mag zwar den Anlaufstrom verringern, doch die Batterie und der Wechselrichter müssen dennoch genügend Leistung liefern, damit die Pumpe ihre Betriebsdrehzahl erreicht. Wenn die Pumpe gegen einen hohen Druck anläuft oder zu lange zum Hochfahren benötigt, kann das System dennoch einen Strom-, Spannungs- oder thermischen Grenzwert überschreiten.
Das Soft-Start-Konzept ist kein Ersatz für die richtige Dimensionierung der Batterie. Es ist ein Mittel, um den Startvorgang besser zu bewältigen.
Die eigentliche Unterstützungsgrenze liegt auf Systemebene
Ob ein Natrium-Ionen-Speicher einen Pumpenmotor versorgen kann, hängt von mehreren Parametern ab, die aufeinander abgestimmt werden müssen.
| Startup-Grenze | Was sich im System ändert | Misserfolg bei Nichtbeachtung |
|---|
| Motor-Einschaltstrom und Beschleunigungszeit | Spitzenbelastbarkeit des Wechselrichters, Spitzenstrom des BMS, Gleichstrompfad | Die Pumpe springt nicht an oder schaltet sich während der Beschleunigung ab |
| Mechanische Belastung der Pumpe | Anlaufdrehmoment und Laufzeit | Der Motor zieht länger als erwartet hohen Strom |
| Ladezustand und Temperatur der Batterie | Spannungsreserve und Spannungsabfall | Läuft bei voller Ladung an, fällt aber später oder bei kalten Temperaturen aus |
| Widerstand von Gleichstromkabeln und -steckern | Eingangsspannung des Wechselrichters während eines Stromstoßes | Der Wechselrichter zeigt eine niedrige Spannung an, auch wenn die Batterieklemmen in Ordnung zu sein scheinen |
| BMS-Spitzenwertbegrenzung und Wiederherstellung | Schutzverhalten nach einem Überspannungsereignis | Die Batterie wird getrennt oder muss manuell wiederhergestellt werden |
| Startfrequenz | Wärmeentwicklung im Wechselrichter, im BMS, in den Kabeln und im Motor | Funktioniert einmal, versagt jedoch bei wiederholten Zyklen |
Diese Tabelle ist keine mechanische Checkliste. Sie zeigt, wo sich die Auslegung tatsächlich ändert. Wird ein Grenzwert unterschätzt, kann das System ausfallen, selbst wenn die Nennleistung ausreichend erscheint.
Die herkömmliche Natrium-Ionen-Speichertechnologie funktioniert, wenn die Pumpenlast vorhersehbar ist
Ein Standard-Natrium-Ionen-Speicherpaket kann Pumpenmotoren versorgen, wenn die Pumpe klein ist, der Anlaufbedarf moderat ist, die Spitzenlastkapazität des Wechselrichters ausreicht, die Kabelwege kurz sind, Anläufe selten erfolgen und das Speicherpaket bereits für die Motorlast validiert wurde.
Das ist ein berechtigter Anwendungsfall. Eine durchdachte Konstruktion des Aggregats oder Systems sorgt für mehr Sicherheit, wenn die Pumpe ein hohes Anlaufdrehmoment aufweist, in Tiefbrunnen eingesetzt wird, häufigen Zyklen unterliegt, bei kalten Außentemperaturen betrieben wird, lange Kabelstrecken aufweist, unter hohem Druck neu gestartet wird, eine ferngesteuerte Solar-Rückgewinnung erfolgt oder im unbeaufsichtigten Betrieb läuft.
Diese Bedingungen machen Natrium-Ionen-Batterien nicht ungeeignet. Sie verändern lediglich den Umfang der erforderlichen Validierung und des erforderlichen Systemdesigns. Der Unterschied besteht nicht darin, ob es sich um eine Standard- oder eine maßgeschneiderte Lösung handelt. Der Unterschied liegt vielmehr darin, ob die validierten Grenzen des Batteriesystems mit dem tatsächlichen Startverhalten der Pumpe übereinstimmen.
Beispielsweise benötigt ein Natrium-Ionen-Akku, der sich gut für die Beleuchtung, als Notstromversorgung für die Kommunikation oder für leichte Wechselrichterlasten eignet, möglicherweise dennoch ein BMS-Design mit höherem Spitzenstrom, bevor er einen Pumpenmotor zuverlässig versorgen kann.
Den Startzeitpunkt überprüfen, nicht nur die Laufzeit
Ein Natrium-Ionen-Batteriespeichersystem sollte nicht allein deshalb für Pumpenmotoren zugelassen werden, weil es eine ohmsche Last betreiben oder einen Kapazitätstest bestehen kann. Die aussagekräftige Validierung zielt auf den Anlaufvorgang ab.
Das bedeutet, die tatsächliche Pumpe, den tatsächlichen Wechselrichter, den tatsächlichen Kabelverlauf, die tatsächlichen Druckbedingungen, den erwarteten SOC-Bereich, die erwartete Temperatur und das wiederholte Startmuster zu prüfen oder zu überprüfen.
Ein einwandfreies Ergebnis bedeutet, dass die Pumpe anläuft, der Spannungsabfall innerhalb der Systemtoleranz bleibt, der Wechselrichter nicht auslöst, das BMS nicht unerwartet abschaltet und sich das System nach einem Start-Stopp-Zyklus wieder normal erholt.
Bei Fernpumpenanwendungen ist die Wiederherstellung ebenso wichtig wie der Anlauf. Eine Batterie, die sich zwar selbst schützt, das Pumpensystem aber so lange außer Betrieb lässt, bis ein Techniker vor Ort ist, ist kein zuverlässiges Stromversorgungssystem.
Vor der Freigabe ist es sinnvoll, die Pumpenspannung, die Nennleistung (in Watt oder PS), den Volllaststrom, den Anlaufstrom oder die Daten zum blockierten Rotor, das Wechselrichtermodell, die Batteriespannung, die Kabellänge, die Startfrequenz, die Umgebungstemperatur, den SOC-Bereich sowie die Verwendung eines Frequenzumrichters oder eines Sanftanlaufgeräts zu überprüfen.
Schlussfolgerung
Natrium-Ionen-Akku Der Speicher kann die Anlauflasten des Pumpenmotors nur dann bewältigen, wenn das fertige System für die tatsächlichen Anlaufbedingungen ausgelegt ist – und nicht nur für die Nennleistung.
Überprüfen Sie vor der Freigabe den Einschaltstrom, die Beschleunigungszeit, die Pumpenlast, die Stoßbelastbarkeit des Wechselrichters, die Spitzenstromgrenze des BMS, den Spannungsabfall, den Verdrahtungswiderstand, den Ladezustand (SOC), die Temperatur und die Anzahl der wiederholten Starts.
Ob für Bewässerungs-, Druckerhöhungs-, Sumpf-, ferngesteuerte Solarpumpen-, Landwirtschafts-, Telekommunikationskühlungs- oder industrielle Notstromversorgungsprojekte: Wenden Sie sich an Kamada Power und geben Sie dabei die Details zu Pumpe, Wechselrichter, Batterie, Kabel, Temperatur, Startfrequenz und Notstromlaufzeit an.
Kontakt heute. Unser Ingenieurteam kann Ihnen dabei helfen, zu prüfen, ob ein Standard-Natrium-Ionen-Akku, ein BMS-Design mit höherem Spitzenstrom oder Maßgeschneiderte 24-V-/48-V-Natrium-Ionen-Batterielösung ist sicherer.
FAQ
Kann eine Natrium-Ionen-Batterie einen Pumpenmotor antreiben?
Ja, aber das fertige Batteriesystem muss für die Anlauflast der Pumpe ausgelegt sein, nicht nur für deren Betriebsleistung. Die entscheidenden Grenzwerte sind die Stoßbelastbarkeit des Wechselrichters, die Spitzenstromkapazität des BMS, der Spannungsabfall, der Kabelwiderstand, der Ladezustand (SOC), die Temperatur und das Verhalten bei wiederholten Startvorgängen.
Warum lässt sich meine Pumpe nicht starten, obwohl die Batterie noch Ladung anzeigt?
Die Batterie verfügt möglicherweise noch über ausreichend Energie, doch der Anlaufstrom kann zu einem kurzzeitigen Spannungsabfall führen. Wenn die Eingangsspannung des Wechselrichters unter den Abschaltwert fällt oder das BMS die Überstrom- oder Unterspannungsschutzfunktion auslöst, kann die Pumpe ausfallen, bevor der Motor seine Betriebsdrehzahl erreicht hat.
Benötige ich für eine batteriebetriebene Pumpe einen Sanftanlasser oder einen Frequenzumrichter?
Nicht immer. Ein Sanftanlasser oder Frequenzumrichter kann die Belastung beim Anlaufen verringern, ersetzt jedoch nicht die richtige Dimensionierung von Batterie und Wechselrichter. Das System benötigt weiterhin eine ausreichende Spitzenstromkapazität, korrekte Schutzeinstellungen und eine echte Anlaufprüfung unter den tatsächlichen Druck- und Betriebsbedingungen der Pumpe.