Wie man sicher und effizient modulare Batteriespeichersysteme mit steckbaren Batteriepolklemmen bereitstellt

Der Einsatz von modularen Batteriespeichersystemen (BESS) nimmt in Privathaushalten, in der Industrie und bei Versorgungsunternehmen zu. BESS bestehen aus mehreren miteinander verbundenen Batteriemodulen, die bei einem Ausfall des Hauptnetzes als Notstromversorgung dienen, den Spitzenenergieverbrauch in der Industrie regulieren und die Netzintegration von erneuerbaren Energiequellen wie Wind- und Solarenergie unterstützen. Während ihre modulare Architektur die Installation vereinfacht, Skalierbarkeit ermöglicht und den effizienten Austausch von verschlissenen Batteriemodulen unterstützt, müssen die Entwickler bei der Auswahl der Batteriepolklemmen besonders vorsichtig sein.

Neben der Erfüllung der neuesten Sicherheits- und Leistungsstandards sowie der Robustheit und Kosteneffizienz müssen die Konstrukteure auch die Flexibilität der Steckverbinder in Bezug auf die Ausrichtung und die Fähigkeit, mehrere Steck- und Trennzyklen zu überstehen, berücksichtigen und gleichzeitig einen minimalen elektrischen Kontaktwiderstand beibehalten, um Überhitzung zu vermeiden. Um die Sicherheit der Benutzer zu gewährleisten, sollten außerdem Merkmale wie Verpolungsschutz und Berührungssicherheit auf der Anforderungsliste stehen.

In diesem Artikel wird kurz auf die Probleme im Zusammenhang mit der BESS-Modulvernetzung eingegangen. Anschließend wird eine Reihe von steckbaren Batteriepolsteckverbindern von Phoenix Contact, die für BESS-Anwendungen konzipiert sind, vorgestellt und ihre Anwendung gezeigt.

Leistungsanforderungen für Batteriepolverbinder

Die Leistungserwartungen an Batteriepolanschlüsse variieren zwischen privaten, gewerblichen und versorgungstechnischen Anwendungen (Tabelle 1). Während die Sicherheit für alle eine Priorität ist, profitieren Wohnanlagen von einem hohen Maß an Flexibilität. Wartungsaspekte sind bei kommerziellen BESS-Konzepten wichtig. BESS-Installationen im Versorgungsmaßstab legen weniger Wert auf Flexibilität, sind aber insgesamt die anspruchsvollste Anwendung, bei der eine schnelle Installation (geringer Arbeitsaufwand), hohe Sicherheit, geringe Ausfallraten, niedrige Kosten und eine effiziente Wartung erwartet werden. Die Auswahl der richtigen Verbindungslösung ist entscheidend, um die unterschiedlichen Leistungsanforderungen zu erfüllen.

Tabelle 1: Verschiedene Anwendungen stellen unterschiedliche Anforderungen an die Leistung von BESS-Steckern. Der richtige Batteriepolverbinder kann die Anforderungen aller drei Anwendungskategorien erfüllen. (Bildquelle: Phoenix Contact)

Kabelschuhe sind eine gängige Methode zur Verbindung der Batteriemodule in einem BESS (Abbildung 1). Kabelschuhe sind relativ kostengünstig, haben aber mehrere Nachteile, wenn sie in einer BESS-Installation verwendet werden:

• Sie leiden unter schlechter Standardisierung und mangelnder Anwendungsflexibilität
• Das manuelle Verbinden und Anziehen der Muttern an jedem Kabelschuh ist ein zeitaufwändiger Prozess und kann zu Verdrahtungsfehlern führen
• Wenn die Muttern nicht richtig angezogen sind, kann die Verbindung einen hohen Widerstand aufweisen, was zu Überhitzung führen kann
• Kabelschuhe sind nicht vor Umwelteinflüssen geschützt; bei Verwendung in Außengehäusen kann die Zuverlässigkeit von Kabelschuhen durch Staub oder Niederdruckwasserstrahlen sowie durch Kondensation und Spritzwasser beeinträchtigt werden
• Kabelschuhe sind nicht berührungssicher und entsprechen nicht den geltenden Sicherheitsnormen, was eine potenzielle Stromschlaggefahr für Installateure und Wartungspersonal darstellt

Abbildung 1: Die Verdrahtung eines modularen BESS mit Kabelschuhen ist zeitaufwändig und anfällig für Verdrahtungsfehler, und Kabelschuhstecker sind nicht von Natur aus berührungssicher. (Bild: Phoenix Contact)

Um die Nachteile der Verwendung von Kabelschuhen zu überwinden, können Entwickler auf speziell entwickelte steckbare Batteriepolklemmen von Phoenix Contact zurückgreifen, die die Anforderungen von BESS-Installationen für Verbraucher, Gewerbe und Industrie sowie für Versorgungsunternehmen erfüllen (Abbildung 2).

Abbildung 2: Steckbare Batteriepolklemmen für BESS überwinden die Einschränkungen von Kabelschuhen und erfüllen die Leistungsanforderungen von Verbraucher-, Industrie- und Versorgungsanlagen. (Bildquelle: Phoenix Contact)

Diese Steckverbinder bieten eine gute Zugänglichkeit und die Flexibilität, den Batteriepol aus jeder Richtung anzuschließen, um eine schnelle Installation mit geringem Übergangswiderstand zu ermöglichen. Sie verfügen über einen Verpolungsschutz und sind zur Sicherheit des Bedieners vollständig berührungssicher. Das Gehäuse der Schutzart IP65 bietet Schutz gegen das Eindringen von Staub und gegen Niederdruckwasserstrahlen aus allen Richtungen sowie Schutz gegen Kondensation und Spritzwasser.

Die Steckverbinder entsprechen der Überspannungskategorie III der Internationalen Elektrotechnischen Kommission (IEC) und sind in der Lage, transienten Spannungen in festen Installationen wie z. B. Außenschränken, in denen BESS untergebracht sind, standzuhalten. Sie bieten einen Verschmutzungsgrad von 2 gemäß IEC 60664-1 und sind damit für den Einsatz in Umgebungen geeignet, in denen nur nichtleitende Verschmutzung auftritt, außer dass gelegentlich eine vorübergehende Leitfähigkeit durch Kondensation auftreten kann.

Die steckbaren Batteriepolklemmen von Phoenix Contact sind farbcodiert und mechanisch kodiert, um Querverdrahtungen zu verhindern, und können einfach in die berührungsgeschützte Buchse gesteckt werden, wo sie einrasten und verriegeln (Abbildung 3).

Abbildung 3: Diese steckbaren Batteriepolklemmen sind mechanisch und farblich codiert, um Querverdrahtungen zu verhindern. Ein „Klicken“ ist zu hören, wenn sie in die berührungsgeschützte Steckdose eingesteckt werden und einrasten. (Bildquelle: Phoenix Contact)

Zur weiteren Vereinfachung und Beschleunigung der Installation können die Steckverbinder bei Bedarf um bis zu 360˚ gedreht werden. Die Verwendung dieser Batteriepolklemmen kann im Vergleich zur Verwendung von Kabelschuhen drei Viertel der typischen Installationszeit einsparen. Ein typisches industrielles oder kommerzielles Batterieregal kann 10 bis 12 Module enthalten, während eine BESS-Anlage in einem Container Hunderte oder Tausende von Batteriemodulen enthält. Bei solchen Anwendungen ist die Zeit- und Kostenersparnis bei der Installation durch die Verwendung speziell entwickelter Batteriepolklemmen im Vergleich zu Kabelschuhen erheblich.

Diese steckbaren Batteriepolklemmen zeichnen sich durch einen geringen Übergangswiderstand aus und bieten ein hohes Maß an Zuverlässigkeit und Sicherheit, einschließlich formschlüssiger Verriegelungsmechanismen, die ein versehentliches Trennen der Verbindung verhindern (Abbildung 4). Sie sind für 1500 Volt Gleichstrom (V_DC), 120 Ampere (A) und für über 100 Steck-/Trennzyklen mit einer Einsteckkraft ≤75 Newton (N) und einer Ausziehkraft von ≥10 N ausgelegt.

Abbildung 4: Diese steckbaren Batteriepolklemmen verfügen über einen formschlüssigen Verriegelungsmechanismus: Links (A) ist der Verriegelungsmechanismus/Freigabehebel im verriegelten Zustand zu sehen; in der Mitte (C) ist das Paar getrennt; die Trennung wird erreicht, indem der Verriegelungsmechanismus (rechts, B) nach vorne in Richtung der Verbindungsschnittstelle geschoben wird. (Bildquelle: Phoenix Contact)

Beispiele für Batteriepolklemmen

Das Batteriepol-Steckverbindersystem von Phoenix Contact besteht aus Kabel- und Einbausteckerpaaren mit versilberten Kontakten, die einen Gesamtübergangswiderstand von ≤5 Milliohm (mΩ) aufweisen. Die Steckverbinder sind nach UL 4128, der neuesten UL-Norm für Batterieanwendungen, eingestuft. Vor dieser Norm wurden die meisten Batteriesteckverbinder nach der Norm UL 1977 eingestuft, die eine allgemeinere Norm mit einer maximalen Spannung von 1000 V_DC ist. Die Batteriepolanschlüsse von Phoenix Contact sind für 1500 V_DC ausgelegt und erfüllen die Norm UL 4128. Zusätzlich zur Erfüllung der neuesten UL4128-Norm (siehe unten) erfüllen diese Batteriepolverbinder die Anforderungen wichtiger internationaler BESS-Normen, einschließlich:

• IEC 61984 - Steckverbinder - Sicherheitsanforderungen und Prüfungen
• IEC 62933 - Elektrische Energiespeichersysteme (EES)
• IEC 63066 - Niederspannungs-Andockstecker für abnehmbare Energiespeicher
• UL 9540 - Norm für Energiespeichersysteme und -ausrüstung
• UL 4128 - Untersuchungsrahmen für Interzellen- und Intertier-Steckverbinder zur Verwendung in elektrochemischen Batteriesystemanwendungen

Kabelstecker wie der 1106307 sind in schwarzer Farbe für negative Pole erhältlich, während der Stecker 1106306 in orange für positive Pole erhältlich ist (Abbildung 5). Ein Crimpanschluss an den Kabelsteckern kann Kabelgrößen von 16 Quadratmillimeter (mm²) und 25 mm² mit einer Abisolierlänge von 22 mm unterstützen. Ein verschiebbarer Verriegelungsmechanismus verhindert ein versehentliches Trennen der Verbindung.

Abbildung 5: Die Kabelverbinderhälfte des Batteriepol-Verbindungssystems wird in orange für positive Pole (oben abgebildet) und schwarz für negative Pole angeboten. Er verfügt über einen verschiebbaren Verriegelungsmechanismus (auf der rechten Seite des Steckers oben), der ein versehentliches Trennen der Verbindung verhindert. (Bildquelle: Phoenix Contact)

Die Batteriepolverbinder für die Schaltschrankmontage erfüllen nicht nur die technischen Anforderungen von Installateuren und Systemintegratoren, sondern bieten den Konstrukteuren von BESS-Systemen auch die Flexibilität, innerhalb des Systems eine Sammelschienen- oder Schraubpfostenbefestigung zu wählen (Abbildung 6). Wie die Kabelsteckverbinder werden auch die Steckverbinder für die Schalttafelmontage in Orange für die positiven Pole (wahlweise für Stromschiene, z. B. 1130816, oder zur Schraubbefestigung, z. B. 1106303) und in Schwarz für die negativen Pole (wahlweise für Stromschiene, z. B. 1130814, oder zur Schraubbefestigung, z. B. 1106304) angeboten.

Abbildung 6: Die Hälfte des Batteriepolanschlusses für die Schalttafelmontage ist Systemanschlussoptionen für Stromschienen (links) oder Schraubanschluss (rechts) erhältlich. (Bildquelle: Phoenix Contact)

Eine Zusammenfassung der Leistungsmerkmale und Vorteile des Batteriepolverbindungssystems umfasst

• 75% kürzere Installationszeit im Vergleich zu Kabelschuhen, reduziert die Installationskosten
• Farbkodierung zur Identifizierung der Polarität:
  • Orange (+) positiv
  • Schwarz (-) negativ
• Schwarze und Orange Verbinder haben einzigartige Schnittstellen, um Fremdpaarungen zu verhindern
• Formschlüssiger Verriegelungsmechanismus verhindert versehentliches Trennen der Verbindung
• Kabelstecker haben Crimpanschlüsse für 16 mm² und 25 mm² Kabelquerschnitte
• Das Stecksystem kann um 360° gedreht werden, um die Installation zu vereinfachen
• Ausgelegt für 100 Steck-/Trennzyklen mit einer Einsteckkraft ≤75 N und einer Trennkraft von ≥10 N
• Vollständig berührungssicheres Design für die Sicherheit des Bedieners
• IP65-Gehäuse bieten Schutz vor Umwelteinflüssen
• Versilberte Kontakte für einen Übergangswiderstand ≤5 mΩ und eine zuverlässige Verbindungsschnittstelle
• IEC-Norm für 120 A und 1500 V_DC
• Betriebstemperaturbereich von -40 °C bis +125 °C

Überlegungen zu Design und Anwendung

Um einen sicheren und zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten, müssen Entwickler und Installateure bei der Verwendung von steckbaren Batteriepolverbindungssystemen mehrere Faktoren berücksichtigen:

• Verbinden oder trennen Sie die Stecker nicht unter Last.
• Der Stecker muss vollständig eingesteckt und verriegelt sein, bevor er unter Spannung gesetzt wird.
• Bei normalem Betrieb wird der Stecker warm. Bei hohen Umgebungstemperaturen können sich diese Steckverbinder weiter erwärmen. Wenn zu erwarten ist, dass der Steckverbinder bei hohen Umgebungstemperaturen eingesetzt wird, können Verbrennungswarnungen, wie sie in DIN EN ISO 13732-1:2008-12 gefordert werden, erforderlich sein.
• Nicht benutzte Anschlüsse sollten mit einer Schutzkappe versehen werden.
• Die Zugbelastung der Verbinder in einer Kabelbaugruppe darf die obere Grenze der Spezifikation nicht überschreiten.

Fazit

Da der Einsatz von BESS-Systemen zur Gewährleistung einer zuverlässigen Stromversorgung und zur Anpassung an erneuerbare Energiequellen zunimmt, müssen die Entwickler den Anforderungen an die Batteriepolklemmen für diese modularen Batteriesysteme besondere Aufmerksamkeit schenken. Mit steckbaren Batteriepolklemmen können Konstrukteure die wichtigsten Sicherheits- und Leistungsanforderungen erfüllen und gleichzeitig die Anforderungen an Zuverlässigkeit, Skalierbarkeit, Wartung, Umweltverträglichkeit und Kosten von BESS-Installationen in Privathaushalten, Gewerbe- und Industriebetrieben sowie Versorgungsunternehmen erfüllen.

Empfohlene Lektüre

1. BESS: Eine Lösung für proaktives Energiemanagement