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Was können Battery Management Systems? Professionelle BMS können Datacenter-Ausfälle verhindern

Autor / Redakteur: lic.rer.publ. Ariane Rüdiger / Ulrike Ostler

Wenn der Netzstrom ausfällt oder instabil ist, hängt der stetige Betrieb des Rechenzentrums an der unterbrechungsfreien Stromversorgung und ihren Batterien. Geht hier etwas schief, sieht es schlecht aus.

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Viele RZ-Ausfälle sind auf vermeidbare Batteriausfälle der USV zurückzuführen
Viele RZ-Ausfälle sind auf vermeidbare Batteriausfälle der USV zurückzuführen
(Bild: Powershield)

Nach Daten des Marktforschungsinstituts Ponemon Institute sind unerwartete Ausfälle der UPS mit 25 Prozent ein wichtiger Grund für Datacenter-Ausfälle insgesamt. In 85 Prozent dieser Fälle sind die Batterien für das Problem verantwortlich.

Die durchschnittlichen Kosten pro Ausfall belaufen sich, so Ponemon, auf 68.000 Dollar, wobei es laut Daten von Vertiv im Jahr statistisch zu 2,5 Ausfällen kommt. Mehr als die Hälfte der befragten Rechenzentrumsmanager sind der Meinung, dass die Ausfälle hätten verhindert werde können.

Allerdings fehlt es den Verantwortlichen oft genug an Detailwissen zu Batterien und ihrem Verhalten. Dass deren dynamische Elektrochemie ständige Sorgfalt und Überwachung benötigt, ist nicht jedem voll umfänglich bewusst. Nicht selten ist die Vorstellung, dass schon alles in Ordnung sei, wenn sich keine auffälligen Veränderungen zeigen. Doch das stimmt nicht.

Konsequentes Batterie-Management nötig

Ein Weg, Ausfälle und Schadereignisse zu vermeiden, ist das professionelle Batterie-Management. Gerade bei großen Batteriebänken in Rechenzentren, die oft aus Hunderten Batterien bestehen, ist es unverzichtbar, sollen unliebsame Zwischenfälle vermieden werden. Dafür sind so genannte (Batteriemanagementsysteme (BMS) zuständig.

Das Batterie-Management hat die Aufgabe, den Status der einzelnen Batterien innerhalb einer Anlage stetig zu überwachen. Gemessen werden Temperatur, Spannung, Strom und Widerstand.

Viele Fehlerquellen

Mögliche Störquellen gibt es viele. Ein Problem bei Bleibatterien sind langsame Wasserverluste: Erzeugen sie Strom, entstehen Wasserstoff und Sauerstoff. Die verbinden sich größtenteils schon im Batterieinneren wieder zu Wasser.

Das Wasser kondensiert an den Innenwänden der Batterie und bleibt so erhalten. Ein anderer, kleinerer Anteil verdunstet jedoch und entweicht, so dass die Batterie auf die Dauer Wasser verliert. Wird nicht nachgefüllt, dehydriert sie.

Ein anderes, heute allerdings durch automatisierte Ladevorgänge seltener anzutreffendes Problem ist die Überladung. Überladene Batterien werden zerstört.

Auswechseln bei 20 Prozent Kapazitätsverlust

Üblich sind Leistungsverluste durch Alterung oder andere Gründe. Das schwächt die Gesamtleistung des betroffenen Strings, die sich an der schwächsten Zelle ausrichtet. Defekte oder leistungsschwache Zellen können sogar andere Zellen im String schädigen.

Sie müssen deshalb möglichst sofort ausgewechselt werden. Fachleute empfehlen, Batterien dann auszutauschen, wenn sie nur noch 80 Prozent ihrer ursprünglichen Leistung erreichen.

Weitere Schadquellen sind interne oder externe Kurzschlüsse, Korrosion im Stromnetz, Schwefelablagerungen auf den Batterieplatten von Zellen, ein erhöhter Widerstand der Verbindungen zwischen Zellen oder die Abtrennung einzelner Batterieplatten.

Batterien sind temperatursensibel

Leistungseinbußen resultieren nicht nur aus Alterung, sondern auch aus zu geringer oder zu hoher Umgebungstemperatur. Ist es zu kalt, lässt sich erheblich weniger aus den Batterien holen als im optimalen Zustand.

Außerdem wirken sich auch Unterschiede der Zelltemperatur zwischen benachbarten Zellen negativ aus. Dafür reichen schon zwei bis drei Grad Unterschied: Kältere Zellen leiden besonders unter Unterladungen, wärmere unter Überladung.

Der größte mögliche Schaden: Explosion wegen Überhitzung

Am gefährlichsten ist Hitze, sie schädigt Batterien unmittelbar. So verringert sich die Lebensdauer einer Bleibatterie pro zehn Grad höherer Umgebungstemperatur über 25 Grad Celsius um die Hälfte. Zudem schwächt Hitze die Verbindung zwischen einzelnen Zellen im String.

USV-GAU: Überhitzte Batterien haben zu einem Brand geführt
USV-GAU: Überhitzte Batterien haben zu einem Brand geführt
(Bild: Powershield)

Unbedingt vermeiden sollte man die Batterieüberhitzung (Thermal Runaway). Wird die in den Batterien entstehende Wärme nicht abgeführt, kann es zu Explosionen, Bränden und anderen unerwünschten Ereignissen kommen – bis hin zur Zerstörung wichtiger Teile der Energieversorgung des Rechenzentrums oder sogar des Datacenter selbst.

Nur ständige Parameterkontrolle schützt

Um solche Vorgänge zu vermeiden, müssen diverse Parameter ständig überwacht werden. Entsprechende Algorithmen sorgen für eine Einschätzung, ob es sich um einen riskanten Betriebszustand handelt. In diesem Fall wird der Administrator alarmiert, um aktiv zu werden, bevor ein Schaden entsteht.

Außerdem sollte in diesem Fall automatisch die Ladespannung heruntergefahren werden. Unterbrecherschaltungen sollten den betroffenen String vom Rest der Umgebung isolieren.

Am besten ist es, wenn ein BMS bereits einige Zeit vorher daran erinnert, dass bestimmte Batteriezellen demnächst ausgewechselt werden müssen. Dies bietet eine reelle Chance, Hotspots und damit das eventuelle durch Batterien verursachte größere Schäden durch rechtzeitiges Handeln zu vermeiden.

Teures Vergnügen: zu kurze Austauschzyklen

Manche Unternehmen versuchen entsprechenden Problemen vorzubeugen, indem sie die Batterien standardmäßig alle drei bis vier Jahre auswechseln. Das ist aber ein teures, ressourcenvernichtendes Unterfangen. Denn es werden wahrscheinlich häufig auch Batterien ausgetauscht, die noch nicht das Ende ihrer Lebendsauer erreicht haben.

Manchmal wird das Batterie-Management an Dienstleister ausgelagert, die nicht mit den modernsten Mitteln arbeiten. Händische Messungen durch Servicemitarbeiter dieser externen Dienstleister beispielsweise finden in der Regel zu selten statt, sind ungenau und fehleranfällig.

BMS als unauffällige Helfer

Für Anwender bleibt das BMS meist eine unauffällige Komponente. Denn die meisten BMS kommen integriert mit der jeweiligen USV-Anlage, als Modul einer verwendeten DCIM (Data Center Infrastructure Management)-Lösung oder als Add-on zur Unterbrechungsfreien Stromversorgung ins Rechenzentrum. Beispielsweise bietet Schneider Electric die mit APC übernommene Systemfamilie „AP992xxx“ an.

Eher selten sind auf den Märkten bislang selbständige BMS-Systeme, die vollkommen unabhängig von der verwendeten USV erworben werden können. Ein solches System bietet etwa der US-Lieferant Keyitec mit dem „BACS/Generex BMS“ an.

Powershield: Software und Online-Service

Ein Anbieter, der sich auf dem deutschen Markt aktiv ist, ist Powershield. Neben der aktuellen Produktversion 8 gehört auch ein Remote-Überwachungsservice aus der Cloud zum Portfolio. Damit hängt es nicht von der Verfügbarkeit und Aufmerksamkeit des eigenen Datacenter-Personals ab, dass Probleme mit der Batterieanlage rechtzeitig erkannt werden.

Powershield bietet seine Produkte und Dienste auch für OEMs an. Sie können ihre Leistungspalette dadurch abrunden und so eine weitere Einkommensquelle generieren und eigene Wartungsservices können mit weniger Personal mehr Kunden versorgen. Die genauere Datenerfassung ermöglicht zudem bessere Servicelevel.

Mithilfe der Software werden die Daten systematisch und ständig gesammelt, analysiert und interpretiert. Dazu dienen leicht verständliche Grafiken. Regelmäßige Vor-Ort-Kontrollen, die aber wegen der täglichen Überwachung der Batterien seltener nötig sind, gibt es ebenfalls.

Daten werden zu Normallinien und Trends verdichtet, die es ermöglichen Abweichungen vom Standard schnell zu detektieren. Insgesamt sinken die Kosten für das Batterie-Management Unter Umständen entfallen gar Anschaffungskosten für zu früh ersetzte Batterien.

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Über den Autor

lic.rer.publ. Ariane Rüdiger

lic.rer.publ. Ariane Rüdiger

Freie Journalistin, Redaktionsbüro Rüdiger