Zusammenhang zwischen der Lebensdauer einer CR2032 und der Ausschaltzeit der Hauptstromversorgung
Industrie-PCs sind häufig in Bildverarbeitungssystemen, Messgeräten, Produktionsanlagen und anderen industriellen Systemen integriert.
Solche Anlagen werden nach ihrer Inbetriebnahme nicht selten 10 Jahre oder länger genutzt.
Auf dem Mainboard eines Industrie-PCs befindet sich dagegen mitunter nur eine kleine Knopfzelle im Wert von wenigen Euro.
Ein typisches Beispiel ist die CR2032.
Diese Batterie dient hauptsächlich zur Pufferung der RTC (Real Time Clock) und des CMOS und sorgt dafür, dass Uhrzeit und bestimmte Informationen auch dann erhalten bleiben, wenn die Hauptstromversorgung der Anlage ausgeschaltet ist.
Dabei gibt es eine wichtige Eigenschaft der RTC-Pufferbatterie, die leicht übersehen wird:
Je länger die Hauptstromversorgung der Anlage ausgeschaltet ist, desto länger muss die Pufferbatterie arbeiten.
Auch bei ausgeschalteter Anlage darf die RTC nicht stehen bleiben
Auch wenn ein PC ausgeschaltet wird, zeigt er beim nächsten Start normalerweise wieder das korrekte Datum und die richtige Uhrzeit an.
Das liegt daran, dass die RTC unabhängig von der Hauptstromversorgung gepuffert wird.
Solange die Hauptstromversorgung vorhanden ist, kann das Mainboard die RTC versorgen. Fällt die Hauptstromversorgung weg, übernimmt eine Pufferbatterie wie die CR2032 die Versorgung der RTC.
Das bedeutet:
Hauptstromversorgung EIN
→ Die RTC wird hauptsächlich vom System versorgt.
Hauptstromversorgung AUS
→ Die RTC-Pufferbatterie übernimmt.
Man könnte annehmen, dass sich die Batterie nicht entlädt, solange die Anlage nicht benutzt wird. Bei der RTC-Pufferbatterie ist es jedoch eher umgekehrt: Je länger die Anlage ungenutzt bleibt und die Hauptstromversorgung ausgeschaltet ist, desto stärker wird die Pufferbatterie beansprucht.
Wie lange hält eine RTC-Pufferbatterie?
Die Schwierigkeit besteht darin, dass sich die Lebensdauer einer RTC-Batterie nicht einfach mit „Es ist eine CR2032, also hält sie X Jahre“ bestimmen lässt.
Die Lebensdauer hängt unter anderem von folgenden Faktoren ab:
- Pufferstrom der RTC- und CMOS-Schaltung
- Batteriekapazität
- Dauer, in der die Hauptstromversorgung ausgeschaltet ist
- Umgebungstemperatur
- Selbstentladung und Alterung der Batterie
Daher kann selbst bei derselben 3-V-Lithium-Primärbatterie die angegebene Pufferdauer je nach Gerät unterschiedlich ausfallen.
Ein Blick in die Spezifikationen verschiedener Hersteller von Industriegeräten zeigt interessante Unterschiede.
Manche Industriecomputer erreichen etwa 3 Jahre bei ausgeschalteter und 10 Jahre bei eingeschalteter Stromversorgung
Im Benutzerhandbuch des Advantech-Industriecomputers ECU-4784 wird erläutert, dass die für die CMOS-Pufferung verwendete BR2032 bei ausgeschalteter Systemstromversorgung belastet wird.
Für die Batterielebensdauer werden folgende Werte angegeben:
| Betriebszustand | Batterielebensdauer |
|---|---|
| Systemstromversorgung AUS | ca. 3 Jahre |
| Systemstromversorgung EIN | ca. 10 Jahre |
Selbst bei demselben Gerät und derselben Pufferbatterie kann allein der Betriebszustand also zu erheblichen Unterschieden bei der Batterielebensdauer führen.
Beim Machine Automation Controller NX5 von OMRON wird dagegen bei 25 °C und einer Einschaltquote von 0 %, also bei ausgeschalteter Stromversorgung, eine Lebensdauer der Pufferbatterie von 5 Jahren angegeben.
Das bedeutet also nicht:
„RTC-Batterien in Industrieanlagen sind nach 3 Jahren leer.“
Entscheidend ist vielmehr:
Die Lebensdauer kann sich je nach Batterie, Pufferschaltung, Temperatur und Betriebsweise der Anlage deutlich unterscheiden.
Der oft übersehene Batterieverbrauch durch Energiesparmaßnahmen
In modernen Fabriken ist es nicht ungewöhnlich, die Hauptstromversorgung ungenutzter Anlagen auszuschalten, um Energie und Standby-Verbrauch zu reduzieren.
Nehmen wir zum Beispiel folgende Betriebsweise an:
- werktags 9 Stunden Betrieb
- nachts 15 Stunden AUS
- samstags und sonntags ganztägig AUS
Eine Woche hat 168 Stunden, davon ist die Hauptstromversorgung nur 45 Stunden eingeschaltet.
In den verbleibenden 123 Stunden, also rund 73 % der Woche, ist die Anlage ausgeschaltet.
Je nach Aufbau der RTC-Pufferschaltung muss die Pufferbatterie in dieser Zeit die Versorgung übernehmen.
Natürlich bedeutet das nicht:
„Wer Energie spart, leert seine RTC-Batterie sofort.“
Wenn jedoch eine Anlage, die bisher 24 Stunden am Tag eingeschaltet war, nachts und an Wochenenden ausgeschaltet wird, kann die kumulierte Betriebszeit der RTC-Pufferbatterie deutlich steigen.
Eine Maßnahme, die für den Energieverbrauch der Gesamtanlage sinnvoll ist, kann bei einem sehr kleinen Bauteil wie der RTC-Batterie dazu führen, dass ein Batteriewechsel häufiger erforderlich wird.
Auch eine Batterie für wenige Euro verursacht beim Austausch deutlich höhere Kosten
Eine CR2032 selbst ist sehr günstig.
Bei Industrieanlagen liegt das eigentliche Problem jedoch häufig nicht im Preis der Batterie, sondern im Aufwand für den Austausch.
Ist ein Industrie-PC beispielsweise in ein Bildverarbeitungssystem, ein Messgerät oder eine Produktionsanlage eingebaut, können selbst für einen einfachen Batteriewechsel folgende Arbeiten erforderlich sein:
Anlage stoppen
↓
Abdeckung der Anlage entfernen
↓
Industrie-PC öffnen
↓
Batterie auf dem CPU-Board zugänglich machen
↓
RTC-Pufferbatterie austauschen
↓
RTC- und BIOS-/UEFI-Einstellungen prüfen
↓
Anlage wieder in Betrieb nehmen
Je nach Anlage kann es außerdem erforderlich sein, dass der Austausch durch den Maschinenhersteller oder einen Wartungsdienstleister durchgeführt wird.
Mit anderen Worten: Für den Austausch einer Batterie, die nur wenige Euro kostet, können Anlagenstillstand und erheblicher Wartungsaufwand entstehen.
Bei Industrieanlagen, die länger als 10 Jahre genutzt werden sollen, ist deshalb auch folgende Frage wichtig:
„Wie oft muss die RTC-Batterie während der Lebensdauer der Anlage ausgetauscht werden?“
Dieser Aspekt sollte bei der Bewertung der Wartungsfreundlichkeit nicht außer Acht gelassen werden.
Je mehr Anlagen betroffen sind, desto größer wird die Auswirkung.
Bei Geräten innerhalb einer Produktionslinie kann der Austausch einer Pufferbatterie im schlimmsten Fall sogar einen Stillstand der Linie erforderlich machen.
Auch für Maschinenhersteller und Händler entsteht Wartungsaufwand
Dieses Problem betrifft nicht nur die Anwender der Anlagen.
Auch für Maschinenhersteller und Händler, die die Anlagen geliefert haben, können RTC-Pufferbatterien zu einem Wartungsthema werden.
RTC-Pufferbatterien sind Verschleißteile. Nach der Auslieferung ist es jedoch schwierig, den Zustand der Batterien in allen installierten Anlagen dauerhaft zu überwachen. Ebenso ist nicht garantiert, dass Anwender die Batterie rechtzeitig vor dem Ende ihrer Lebensdauer austauschen.
Gerade bei RTC-Pufferbatterien wie der CR2032 ist eine Alterung im normalen Betrieb oft kaum erkennbar. Probleme treten häufig erst nach dem Ausschalten und erneuten Einschalten der Hauptstromversorgung auf.
Zum Beispiel:
„Nach einem längeren Betriebsurlaub wurde die Uhr zurückgesetzt.“
„Nach dem erneuten Einschalten ist ein RTC- oder CMOS-bezogener Fehler aufgetreten.“
In solchen Fällen wendet sich der Anwender möglicherweise an den Maschinenhersteller oder den liefernden Händler, und die Fehlerursache muss zunächst eingegrenzt werden.
Das kann Rückfragen zwischen Händler und Hersteller, Ursachenanalyse, die Organisation von Wartungspersonal und gegebenenfalls sogar einen Vor-Ort-Einsatz inklusive Batteriewechsel, Kontrolle der Einstellungen und Funktionsprüfung erforderlich machen.
Selbst wenn die eigentliche Ursache nur eine Pufferbatterie im Wert von wenigen Euro ist, liegen die dadurch entstehenden Personalkosten weit darüber.
Hinzu kommt, dass sich die Lebensdauer einer RTC-Pufferbatterie nicht einfach anhand der Jahre seit Auslieferung bestimmen lässt.
Eine Anlage, die 24 Stunden am Tag eingeschaltet bleibt, beansprucht die Pufferbatterie anders als eine Anlage, die nachts oder an Wochenenden ausgeschaltet wird.
Aus Sicht von Maschinenherstellern und Händlern handelt es sich daher um ein Verschleißteil, dessen Lebensdauer vom individuellen Nutzungsverhalten des Kunden abhängt und für das sich nur schwer ein einheitliches Austauschintervall festlegen lässt.
Deshalb kann es sinnvoll sein, nicht erst nach einem Batterieausfall zu reagieren, sondern bereits bei der Anlagenkonstruktion auf Wartungsfreundlichkeit zu achten, zum Beispiel durch:
Verlängerung der Lebensdauer der RTC-Pufferbatterie
oder
Platzierung der Batterie an einer leichter zugänglichen Stelle.
Der Ansatz, eine RTC-Pufferbatterie 10 Jahre nutzbar zu machen
Aber gibt es neben einer einfacheren Austauschbarkeit auch eine Möglichkeit, die Austauschhäufigkeit der Pufferbatterie selbst zu reduzieren?
Es gibt 3-V-Pufferbatterien mit deutlich höherer Kapazität als eine CR2032
Für die RTC-Pufferung kommen nicht nur CR2032-Batterien infrage.
In industriellen Anwendungen werden auch BR-Lithiumbatterien auf Basis von Polycarbonmonofluorid für Langzeit-Pufferanwendungen eingesetzt.
Ein Beispiel ist die BR-2/3A von Panasonic.
| CR2032 | BR-2/3A | |
|---|---|---|
| Nennspannung | 3 V | 3 V |
| Typische Nennkapazität | ca. 200 mAh | 1.200 mAh |
| Bauform | Knopfzelle | Zylindrisch |
| Haupteigenschaften | Kompakt, leicht verfügbar | Für Langzeit-Pufferung geeignet |
| Kapazitätsverhältnis | 1 | ca. 5–6× |
Die BR-2/3A besitzt eine Nennspannung von 3 V und eine Nennkapazität von 1.200 mAh.
Panasonic nennt unter den Anwendungen seiner zylindrischen BR-Lithiumbatterien auch die Speicherpufferung in Geräten der Fabrikautomation.
Es gibt tatsächlich Industrie-PCs, die auf mehr als 10 Jahre Pufferbetrieb ohne Netzversorgung ausgelegt sind
Die BR-2/3A ist nicht einfach nur eine 3-V-Batterie mit höherer Kapazität.
Sie wird tatsächlich auch in Industrie-PCs eingesetzt, deren RTC-Pufferung auf eine lange Lebensdauer ausgelegt ist.
Bei der industriellen Box-PC-Serie IPC-BX950 von CONTEC wird eine BR-2/3A zur Pufferung der Kalenderuhr und des CMOS-RAM verwendet. Laut offizieller Dokumentation beträgt die Pufferzeit bei 25 °C und vollständig getrennter Stromversorgung mehr als 10 Jahre.
Das zeigt:
Wenn ein Industrie-PC über viele Jahre betrieben werden soll, kann auch die RTC-Pufferung von Anfang an auf eine lange Lebensdauer ausgelegt werden.
Ein regelmäßiger Austausch einer CR2032 alle paar Jahre ist also nicht die einzige mögliche Lösung.
Verlängerung der Pufferlebensdauer bei bestehenden Systemen mit CR2032
Wie sieht es aber bei Industrie-PCs aus, die bereits mit einer CR2032 ausgestattet sind?
Das CPU-Board selbst auszutauschen oder die Leiterplatte zu verändern, ist in vielen Fällen nicht praktikabel.
Eine mögliche Lösung ist daher, eine Dummy-Knopfzelle mit derselben Bauform wie eine CR2032 zu verwenden und die Pufferstromversorgung nach außen zu führen.
Externe Pufferbatterie mit einer Dummy-Knopfzelle
Der grundlegende Aufbau sieht so aus:
CR2032-Batteriehalter
↓
Dummy-Knopfzelle
↓
Kabel
↓
Externe 3-V-Pufferbatterie
Damit lässt sich die Pufferstromversorgung nach außen führen, ohne am CPU-Board selbst zu löten oder andere Änderungen an der Leiterplatte vorzunehmen.
Wird beispielsweise eine 3-V-BR-2/3A verwendet, steht deutlich mehr Kapazität als bei einer CR2032 zur Verfügung und es lässt sich eine auf Langzeitpufferung ausgelegte Stromversorgung realisieren.
Die externe Platzierung bietet außerdem noch einen weiteren Vorteil, unabhängig von der höheren Kapazität.
Wird die Batterie an einer gut zugänglichen Stelle der Anlage montiert, muss beim nächsten Austausch nicht erneut auf das CPU-Board zugegriffen werden.
Damit lässt sich die Wartungsfreundlichkeit in zwei Richtungen verbessern:
„Die Austauschhäufigkeit der Batterie reduzieren.“
und gleichzeitig
„Den nächsten Batteriewechsel einfacher machen.“
Hinweise bei externer Montage
CR2032 und BR-2/3A sind beide 3-V-Lithium-Primärbatterien, unterscheiden sich jedoch in Kapazität und Bauform.
Bei einer praktischen Umsetzung müssen daher unter anderem die richtige Polarität, die sichere Befestigung der Batterie, die Kabelführung und der Schutz vor Kurzschlüssen berücksichtigt werden.
Da es sich außerdem um eine Änderung an einem bestehenden Gerät handelt, sollten auch die Garantie- und Wartungsbedingungen des Geräteherstellers geprüft werden.
Bei Anlagen mit 10 Jahren Lebensdauer lohnt sich auch der Blick auf kleine Verschleißteile
Industrie-PCs, Bildverarbeitungssysteme und Messgeräte werden teilweise länger als 10 Jahre eingesetzt.
Gleichzeitig enthalten sie Verschleißteile wie die RTC-Pufferbatterie.
Wie im oben genannten Beispiel gezeigt, ist eine Anlage, die werktags 9 Stunden betrieben wird und nachts sowie am Wochenende ausgeschaltet bleibt, rund 73 % der Woche ohne Hauptstromversorgung.
Wenn die RTC in dieser Zeit durch eine Batterie gepuffert wird, steigt entsprechend auch die Einsatzdauer der Pufferbatterie.
Hinzu kommt, dass Maschinenhersteller und Händler nach der Auslieferung normalerweise nur schwer kontinuierlich überwachen können, wie viel Kapazität in der RTC-Pufferbatterie noch vorhanden ist.
Möglicherweise fällt das Problem erst auf, wenn nach einer leeren Batterie Meldungen eintreffen wie:
„Die Uhrzeit stimmt nicht mehr.“
„Nach dem erneuten Einschalten haben sich Einstellungen verändert.“
„Die Anlage verhält sich anders als sonst.“
Erst nach einer Fehleranalyse stellt sich dann heraus, dass die Ursache lediglich eine erschöpfte Pufferbatterie war.
Auch wenn die Ursache nur eine Batterie im Wert von wenigen Euro ist, können Kundenanfragen, Fehleranalyse, Abstimmungen zwischen Händler und Hersteller, die Organisation eines Servicetechnikers, Vor-Ort-Einsätze, Batteriewechsel und Einstellungsprüfungen einen erheblichen Aufwand verursachen.
Bei Industrieanlagen, die länger als 10 Jahre genutzt werden sollen, lohnt es sich deshalb, nicht nur zu fragen:
„Wie viele Jahre soll die RTC-Pufferbatterie halten?“
sondern auch:
„Lässt sich die Austauschhäufigkeit reduzieren?“
„Lässt sich die Batterie beim nächsten Austausch einfacher erreichen?“
Diese Fragen können durchaus Teil der Wartungsplanung einer Anlage sein.
Wenn ein Industrie-PC 10 Jahre genutzt werden soll, sollte auch die Pufferbatterie 10 Jahre halten.
Eine höhere Kapazität der RTC-Pufferbatterie oder deren externe Platzierung sind mögliche Ansätze, um dieses Ziel zu erreichen.
Cyack Lab entwickelt und vertreibt Dummy-Knopfzellen, mit denen sich die Stromversorgung aus Knopfzellenhaltern wie beispielsweise für CR2032 nach außen führen lässt.
Dadurch kann die Pufferstromversorgung nach außen geführt werden, ohne das CPU-Board selbst zu verändern. So lassen sich Anwendungen wie eine externe RTC-Pufferbatterie oder die Verlagerung der Batterie an eine leichter zugängliche Stelle realisieren.
Wenn Ihre Anlage für eine Nutzungsdauer von 10 Jahren vorgesehen ist, kann es sich lohnen, auch die kleine Pufferbatterie im Inneren einmal genauer zu betrachten.
