Paper A dieser Reihe hat das Lastprofil nach dem Ausfall der gesamten Erzeugung beschrieben: Ram-Air-Turbine (RAT), Bordbatterien und Notbatterie-Versorgungen (EBPS), der Hochimpuls zu Beginn und die lange niedrige Entnahme aus den Essential-Bussen. Paper B wechselt von der Beschreibung zur Konstruktion. Wenn Sie ein Flugzeug umrüsten, eine gealterte NiCad-Anlage ersetzen oder eine Notbeleuchtungs-Versorgung neu auslegen müssen: Wie wählen Sie die Chemie, zählen die Zellen und dimensionieren die Kapazität, damit unter den kritischsten Bedingungen genau dann Energie da ist, wenn Passagiere die Notausgänge erreichen müssen?

Die zentrale regulatorische Zahl steht in 14 CFR 25.812: Die Energieversorgung jeder Notbeleuchtungseinheit muss nach der Notlandung unter den kritischsten Umgebungsbedingungen mindestens zehn Minuten lang die erforderliche Beleuchtung liefern. Zehn Minuten sind das gesetzliche Minimum, nicht das Konstruktionsziel – und sie gelten am schlimmsten Punkt des Temperatur- und Alterungshüllkreises, nicht an einem frischen Packungslauf bei 25 °C. Dieser Artikel zeigt, wie Sie von der Lastliste über das Leistungsbudget und das Spannungsfenster zur nameplate-Kapazität gelangen und warum die versiegelte NiMH-Packung für die Aufgabe des formschlüssigen NiCad-Ersatzes oft die sauberste Lösung ist.

Beginnen Sie mit der Lastliste, nicht mit dem Katalog-Datenblatt

Die häufigste Fehlerquelle bei Notbatterie-Projekten ist die Reihenfolge: Ein Konstrukteur wählt eine Batterie nach Nennspannung und verfügbarer Baugröße und rechnet danach, ob die Lasten irgendwie passen. Bei einer Notversorgung muss die Reihenfolge umgekehrt sein. Beginnen Sie mit jeder einzelnen Last, die nach dem Ausfall der Hauptstromversorgung gespeist werden muss, und arbeiten Sie mit der konservativsten Annahme: Alle Notlasten gehen gleichzeitig an, und es gibt keinen Gleichzeitigkeitsfaktor (Diversity). In der Notlandung werden Notausgangsschilder, Kabinen- und Bodenwegbeleuchtung, Außenbeleuchtung sowie kritische Geräte gemeinsam eingeschaltet – das System muss den Summenpunkt tragen, nicht den Durchschnitt.

Die Lastliste sollte für jeden Verbraucher vier Werte erfassen: Nennleistung (Watt) oder Strom (Ampere) bei der Nennspannung des Systems, den Einschalt- oder Anlaufstoß (Inrush) und seine Dauer, die Mindestbetriebsspannung, unterhalb derer das Gerät abschaltet oder neu startet, und die erforderliche Überbrückungszeit. Für die Beleuchtung ist die vierte Größe durch die Regelung vorgegeben – mindestens zehn Minuten nach der Notlandung nach 25.812(i) –, doch Betreiber verlangen oft deutlich mehr, um die Evakuierung abzudecken und einen Puffer für verzögerte Bodenunterstützung zu haben. Kritische Geräte können eine andere Anforderung haben als die Beleuchtung; trennen Sie die beiden Zeitziele, statt sie zu einem Mittelwert zu verschmelzen.

Denken Sie an die Betriebszustände, die 25.812(f) für Notbeleuchtung vorschreibt: eine bewaffnete (armed), eine eingeschaltete und eine ausgeschaltete Stellung, eine manuelle Betätigung aus dem Cockpit und von den Flugbegleitersitzen sowie eine Warnung, wenn das System nicht bewaffnet ist. Die Batterie muss in der bewaffneten Stellung über lange Zeit nahezu verlustfrei bereitstehen und dann ohne Vorwarnung die volle Last liefern. Eine Chemie, die ständige Wartung, tiefes zyklisches Entladen oder eine lange Wiederbelebungsprozedur verlangt, bevor sie Nennleistung bringt, ist für diese Aufgabe grundsätzlich falsch, unabhängig von ihrem Energieinhalt auf dem Papier.

Erstellen Sie das Leistungsbudget und wandeln Sie es in ein Stromprofil um

Sobald die Lastliste steht, wird jede Position in Watt bei der Systemnennspannung zusammengefasst. Die meisten Notbeleuchtungs- und kritischen Gleichspannungsbusse von Transportflugzeugen arbeiten nominal mit 24 V bzw. 28 V; die Notversorgung wird auf den jeweiligen Bus dimensioniert. Die Umrechnung ist einfach: Strom (A) = Leistung (W) ÷ Spannung (V). Eine Last von 24 W an einem 24-V-Bus entspricht etwa 1 A Dauerstrom; an einem 28-V-Bus sind es etwa 0,86 A. Rechnen Sie jede Position einzeln um und summieren Sie dann – das bewahrt Sie vor dem Fehler, den Gesamtwert mit der falschen Spannung zu teilen.

Unterscheiden Sie in dem Budget scharf zwischen Dauerlast und Stoßlast. Die Dauerlast bestimmt die Kapazität (Ah): Sie läuft über die gesamte Überbrückungszeit. Die Stoßlast – das gleichzeitige Anziehen von Schützen, das Hochfahren von Wechselrichtern und Wandlern, der Kaltstartwiderstand der Lampen – bestimmt weitgehend den minimalen Spannungspunkt und die erforderliche Hochstromfähigkeit, auch wenn sie nur Millisekunden bis wenige Sekunden dauert. Eine Packung, die den Dauerstrom mühelos trägt, kann beim Einschaltstoß trotzdem kurz unter die Abschaltspannung einbrechen und damit einen Wechselrichter zum Neustart bringen; deshalb wird der Stoß als eigenes Ereignis im Profil festgehalten, nicht in der Durchschnittsleistung versteckt.

Die folgende Tabelle zeigt ein rein illustratives Leistungsbudget für eine kleine Kabinen-Notbeleuchtungsanlage an einem 24-V-Bus. Es ist kein gemessener Flugzeugdatensatz; es dient nur dazu, den Rechenweg von der Watt-Summe zum Strom zu verdeutlichen.

Aus diesem Budget folgt eine Dauerentnahme von etwa 1 A über mindestens zehn Minuten, mit einem zusätzlichen Einschaltstoß beim Aufwachen der Anlage. Die Kapazitätsrechnung in einem späteren Abschnitt geht von dieser Zahl aus. In einem echten Projekt ersetzen Sie die illustrativen Watt-Werte durch die Messwerte und Herstellerangaben Ihrer tatsächlichen Lasten und schreiben die Quelle zu jedem Wert in die Tabelle.

Wählen Sie die Chemie für die Notversorgungsaufgabe

Für die Bord-Notversorgung kommen praktisch vier Chemien in Betracht: das entlüftete (offene) NiCad, das über Jahrzehnte der Standard war, die verschlossene Blei-Säure-Batterie (VRLA), die zertifizierte Lithium-Batterie und die verschlossene Nickel-Metallhydrid-Batterie (NiMH). Jede hat für die Aufgabe des langen, gewarteten Bereitstehens mit sofortigem vollem Leistungsabruf spezifische Stärken und Schwächen. Die folgende Gegenüberstellung fasst die für die Auswahl relevanten Merkmale zusammen; es handelt sich um eine technische Einordnung, nicht um einen vollständigen Datenblattvergleich.

Die Schlussfolgerung für die Notbeleuchtungs- und kritische Versorgungsrolle ist konsistent: Offenes NiCad liefert hohe Spitzenströme und verträgt Missbrauch, verlangt aber Wassernachfüllen, häufige Kapazitätsprüfungen und ein tiefes Konditionieren, um den Memory-Effekt zu beherrschen – Wartungsaufwand, der bei einer nur selten genutzten, aber stets bereiten Anlage besonders teuer ist. VRLA ist billig, verliert aber bei Kälte stark und ist thermisch nicht robust. Zertifiziertes Lithium bietet die höchste Energiedichte, verlangt aber ein aufwendiges Batteriemanagement und eine umfangreiche Qualifikation, und das Risiko des thermischen Durchgehens bleibt das zentrale Sicherheitsthema. Die verschlossene NiMH-Packung verbindet hohe Kälte- und Spitzenstromfähigkeit mit sehr geringen Wartungsanforderungen, keinem ausgeprägten Memory-Effekt und einem inhärent geringeren thermischen Risiko – genau das Profil, das ein lang bereitstehender Notbeleuchtungs-Ersatz braucht.

Legen Sie die Serien-Zellenanzahl und das Spannungsfenster fest

Eine versiegelte NiMH-Zelle hat eine Nennspannung von 1,2 V. Um einen nominal 24-V-Bus zu speisen, werden typisch etwa 20 Zellen in Reihe geschaltet (20 × 1,2 V = 24 V); die zertifizierten NiMH-Notversorgungen der Praxis – etwa die True Blue Power TS56 – geben eine Nominalausgangsspannung von 24,6 V aus und akzeptieren eine Ladeeingangsspannung von 20–30 VDC. Die genaue Zellenanzahl wird nicht allein aus der Nennspannung abgeleitet; sie muss aus dem Spannungsfenster der Lasten bestimmt werden, also aus der höchsten und der niedrigsten Spannung, die jedes gespeiste Gerät über den gesamten Entladeverlauf verträgt.

Die untere Grenze ist der kritische Punkt. Eine NiMH-Zelle beginnt voll geladen bei etwa 1,4–1,5 V und fällt während der Hauptentladung auf ein Plateau um 1,2 V, bevor sie gegen Ende auf 1,0–1,1 V pro Zelle (End-of-Discharge, EOD) absinkt. Multipliziert mit der Zellenanzahl ergibt das die Packungsspannung am Ende der vorgeschriebenen Überbrückungszeit. Diese Endspannung muss nach dem Kalt-Einschaltstoß noch über der Abschaltspannung des empfindlichsten Geräts liegen – nicht im Mittel, nicht vor dem Stoß, sondern am tiefsten Punkt. Wenn ein Wechselrichter oder ein kritisches Gerät bei 20 V abschaltet, darf die Packung nach dem Impuls auch kurzzeitig nicht darunter einbrechen.

Die obere Grenze betrifft die volle Ladung und den Float-Betrieb. Die Ladeschaltung muss die voll geladene Packung auf einen Spannungspegel begrenzen, den die Geräte tolerieren, und nach 25.812(j) verhindern, dass die Batterie bei einem Fehler des Ladegeräts in dieses zurückspeist. Vermeiden Sie den gut gemeinten Fehler, nicht übereinstimmende parallele Stränge zu mischen, um mehr Kapazität zu gewinnen: Ungleiche Zellen teilen Strom und Alterung ungleichmäßig und schaffen die Ausfälle, die eine Notanlage nicht haben darf. Werden Parallelstränge benötigt, müssen sie aus abgeglichenen Zellen gleicher Charge aufgebaut und einzeln überwacht werden.

Die obige Animation zeigt qualitativ den Packungsspannungsverlauf: den kurzen Einbruch beim Einschaltstoß am Anfang, das lange Arbeitsplateau und das Annähern an die Abschaltspannung gegen Ende der Entladung. Die 10-Minuten-Bodenebene des Regelwerks muss links von dem Punkt liegen, an dem die Kurve die Geräte-Abschaltspannung unterschreitet – mit Reserve für Kälte und Alterung. Es handelt sich um eine illustrative Kurve, nicht um eine gemessene Entladung.

Dimensionieren Sie die Kapazität mit Kälte-, End-of-Life- und Stoß-Derating

Wenn Zellenanzahl und Spannungsfenster festliegen, wird die Kapazität berechnet. Die naheliegende Formel – Ah = Strom (A) × Zeit (h) – liefert nur die nutzbare Entladekapazität unter Idealbedingungen. Die auf dem Typenschild angegebene Nennkapazität muss höher liegen, weil drei Verluste wirken: die reduzierte Kapazität bei Kälte, der Kapazitätsverlust am Ende der spezifizierten Lebensdauer und der Anteil der Nennkapazität, der aus dem Spannungsfenster heraus nicht genutzt werden kann, ohne die Abschaltspannung zu verletzen. Die Beziehung lautet: Nenn-Ah = (I × t) ÷ (f_Kälte × f_EOL × f_nutzbar).

Die Derating-Faktoren werden aus den Datenblattkurven des Zellenherstellers für den spezifizierten Temperaturbereich und die geforderte Lebensdauer entnommen, nicht geschätzt. Für eine konservative Notauslegung liegt das Produkt der Faktoren oft in der Größenordnung von 0,70: Eine Packung, die unter Idealbedingungen 2,0 Ah nutzbar liefert, benötigt dann eine Nennkapazität von etwa 2,85 Ah, um am kritischen Kaltpunkt am Lebensende noch 2,0 Ah im Spannungsfenster bereitzustellen. Die folgende Tabelle zeigt den Rechenweg an dem illustrativen 1-A-Budget; die Zahlen sind Beispielwerte und müssen durch Herstellerdaten ersetzt werden.

Die Gegenprobe mit einem zertifizierten Produkt bestätigt den Maßstab. Die TS56 mit 56 Wh und einer Nennausgangsspannung von 24,6 V entspricht einer Kapazität von etwa 2,3 Ah (56 Wh ÷ 24,6 V); ihre angegebene Entladezeit von etwa 132 Minuten bei 1 A liegt in der gleichen Größenordnung wie die Rechnung und übertrifft die 10-Minuten-Bodenebene um mehr als eine Größenordnung. Das ist kein Zufall: Notversorgungen werden auf die betriebliche Überbrückungszeit dimensioniert, und das regulatorische Minimum ist eine untere Schranke, kein Arbeitspunkt. Kürzere Beleuchtungsanlagen mit reinem 10-Minuten-Ziel fallen entsprechend kleiner aus, tragen aber immer noch die Kälte- und EOL-Derating.

Die zweite Animation fasst den Arbeitsablauf von der Lastliste zur Nennkapazität zusammen: Lasten auflisten, Watt summieren, bei Systemspannung in Ampere umrechnen, den Einschaltstoß ergänzen, die nutzbare Ah-Menge berechnen und dann die Kälte- und EOL-Derating anwenden. Jeder Schritt wird aus nachprüfbaren Eingaben berechnet; keiner wird durch eine Katalog-Baugröße ersetzt.

Legen Sie die Ladesteuerung und den Thermik-/Entlüftungspfad aus

Eine Notversorgung verbringt fast ihr gesamtes Leben in der bewaffneten, geladenen Bereitschaft. Die Ladesteuerung muss zwei Zustände beherrschen: die Erhaltungsladung (Float), die die Packung ohne Überladung auf vollem Pegel hält, und die Wiederaufladung nach einem Einsatz. Für versiegelte NiMH-Packungen kombiniert eine robuste Steuerung Konstantstrom-Laden mit einer vollständigen Ladebeendigung anhand mehrerer Signale: negativer Delta-V-Spannungspeak (-dV), Temperaturanstiegsrate (dT/dt), eine absolute Temperaturabschaltung als Sicherheitsgrenze und eine Sicherheitszeitbegrenzung. Bei niedrigen Temperaturen darf keine forcierte Ladung erfolgen, weil der Sauerstoff-Rekombinationsprozess dann überlastet würde; die Steuerung verringert den Strom oder wartet, bis die Packung im erlaubten Bereich ist.

Nach 25.812(j) muss die Ladeschaltung verhindern, dass die Batterie bei einem Ladegerätefehler in die Ladequelle zurückspeist – eine Diode oder ein gleichwertiges Trennelement im Ladepfad erfüllt diese Forderung. Die Thermikauslegung folgt der gleichen Sorgfalt: Die Packung braucht einen Wärmepfad, der die beim Schnellladen und beim Hochstrom-Einsatz entstehende Wärme abführt, ausreichend Abstand zwischen heißen Zellen und eine Entlüftung, die Druckänderungen in der Höhe ausgleicht, ohne dass Schmutz oder Feuchte eindringen. Kurzschluss- und Überladeschutz sowie eine Strombegrenzung begrenzen die Energie auch dann, wenn ein externer Fehler auftritt. Diese Merkmale sind für eine versiegelte NiMH-Packung deutlich einfacher zu erreichen als für eine Lithium-Packung, weil die Chemie keine fortlaufende aktive Unterdrückung eines thermischen Durchgehens verlangt.

Formschlüssiger Ersatz und das Zertifizierungsdossier

Die meisten Umrüstprojekte sind keine Neukonstruktion, sondern der Ersatz einer gealterten NiCad- oder VRLA-Anlage in einem bestehenden Flugzeug. Dann lautet die Aufgabe form-fit-function: Die neue Packung muss in das vorhandene Einbauvolumen und die Halterung passen, die bestehenden Steckverbinder und die Ein-/Ausgangsspezifikation übernehmen und die bewaffnete/eingeschaltete/ausgeschaltete Logik des Originals nachbilden, damit keine Änderung der Kabelbäume, Strukturen oder Betriebsverfahren nötig wird. Die zertifizierten NiMH-Notversorgungen der Praxis sind genau dafür ausgelegt: Produkte wie TS32 und TS56 ersetzen ältere NiCad-Anlagen auf Embraer-, Bombardier-, Boeing- und Airbus-Mustern direkt und nutzen dabei die Zulassungen TSO-C173a, RTCA DO-293A und RTCA DO-160G.

Der Wegfall des ausgeprägten Memory-Effekts und der Wassernachfüllung verlängert die Intervalle zwischen Kapazitätsprüfungen deutlich (bei den genannten Produkten auf etwa zwei Jahre), was Wartungskosten und Stillstandszeit senkt. Das Zertifizierungs- und Wartungsdossier für einen formschlüssigen Ersatz sollte folgende Unterlagen bündeln: die Übereinstimmung mit der zutreffenden TSO und den RTCA-Umgebungs- und Leistungsnormen, die nachgewiesene 10-Minuten-Mindestversorgung unter den kritischen Temperaturbedingungen, die Lade- und Float-Kennlinie sowie den Rückspeiseschutz, Einbau- und Steckverbinder-Zeichnungen zum Nachweis der Bauraumgleichheit, den Kapazitätsprüfplan mit Intervallen und Grenzwerten und die Transportdokumentation. Weil die versiegelte NiMH-Packung kein Lithium ist, vereinfacht sich die Ersatzteillogistik gegenüber Lithium-Batterien, und die Bereitschaft wird nicht durch aufwendige Lithium-Versandvorgänge behindert.

Weijiang Power: Nickel-Metallhydrid-Packungen für die Notversorgung

Weijiang Power entwickelt und fertigt versiegelte Nickel-Metallhydrid-Zellen und -Packungen für industrielle und sicherheitsrelevante Anwendungen, darunter Notbeleuchtungs- und kritische Versorgungsaufgaben, die den 10-Minuten-Mindestwert und lange betriebliche Überbrückungszeiten erfüllen müssen. Wir arbeiten mit Flugzeugausrüstern, Wartungsbetrieben und Ersatzanbietern zusammen, die gealterte NiCad- und Blei-Säure-Anlagen durch wartungsarme, kältefeste NiMH-Lösungen ersetzen wollen – mit Zellen, die hohe Einschaltstöße tragen, auf Langzeit-Float ausgelegt sind und über lange Lebensdauer einen gleichmäßigen Spannungsverlauf halten.

Wenn Sie eine Notversorgung dimensionieren oder eine bestehende Anlage ersetzen, schicken Sie uns die Lastliste mit Leistungs- oder Stromwerten, den Einschaltstoß und seine Dauer, die Mindestabschaltspannung Ihrer Geräte, den Temperatur- und Höhenhüllkreis, die erforderliche Überbrückungszeit und die zutreffenden Normen. Wir dimensionieren Zellenanzahl und Nennkapazität mit den passenden Kälte- und Lebensdauer-Derating, legen die Ladesteuerung und Entlüftung aus und stellen die Unterlagen für den formschlüssigen Ersatz zusammen. In unserem Produktbereich finden Sie das Spektrum unserer NiMH-Zellen und kundenspezifischen Packungen; für eine konkrete Auslegung steht Ihnen unser Technikteam über die Kontaktseite zur Verfügung.