Verbindungen für die Blöcke kommerzieller Energiespeichersysteme

Kommerzielle Batteriespeichersysteme (BESS) werden benötigt, um die Nutzung und Netzintegration erneuerbarer Energiequellen wie Windkraft und Solarenergie zu erleichtern. BESS sind komplex und umfassen eine große Batterie, ein Batteriemanagementsystem, eine Batteriesteuerung und -kommunikation sowie einen Wechselrichter/Transformator. Die optimale Gestaltung jedes einzelnen Bausteins ist für die Gesamteffizienz und -zuverlässigkeit des BESS von entscheidender Bedeutung, aber sie ist nicht ausreichend. Jeder Block muss miteinander verbunden sein, um rauen Bedingungen standzuhalten und die beste Leistung zu gewährleisten. Um dies zu erreichen, müssen die Entwickler eine Reihe von Steckertypen kombinieren, um die kostengünstigsten und zuverlässigsten Lösungen zu finden (Abbildung 1).

Abbildung 1: Die Blöcke, aus denen ein kommerzielles BESS besteht, erfordern spezifische Verbindungslösungen für einen zuverlässigen und effizienten Betrieb des Gesamtsystems. (Bildquelle: Amphenol)

In diesem Blog werde ich kurz auf einige der betrieblichen Vorteile eines BESS eingehen, auf die Bausteine, die für den Aufbau eines BESS verwendet werden, und auf die Steckeroptionen mit Beispielen von Amphenol.

Vorteile von BESS

Die Installation eines BESS ist nicht unbedingt eine altruistische Angelegenheit. Neben der Unterstützung der Nutzung und Netzintegration erneuerbarer Energien bringt ein BESS auch finanzielle Vorteile mit sich:

Verwaltung der Verbrauchsgebühren: Viele Einrichtungen müssen Gebühren auf der Grundlage des Spitzenstromverbrauchs entrichten. Der Einsatz eines BESS zur Senkung des Spitzenenergieverbrauchs kann die Gesamtenergieausgaben um bis zu 70 Prozent¹ senken.

Lastverschiebung: Mit Hilfe von Software-Algorithmen können Energieverbrauchsmuster im Vergleich zu den Stromtarifen für die Nutzungszeit analysiert und die besten Zeiten für die Entladung des BESS während der Zeiträume mit den höchsten Kosten bestimmt werden.

Notstromversorgung: Stromausfälle können kostspielig sein, und ein BESS kann ein separates unterbrechungsfreies Stromversorgungssystem (USV) überflüssig machen oder die Verwendung einer kleineren, weniger teuren USV ermöglichen.

BESS-Blöcke

Die Auswahl der Batterie erfordert eine Chemie, die die definierten Anforderungen an die Energiespeicherung und Leistungsabgabe erfüllt, die Art der Verpackung der Zellen und die Struktur der Systemintegration, wie z. B. ein Batterieträger.

Das Batteriemanagementsystem (BMS) sorgt für optimale Lade- und Entladeraten, überwacht die Temperatur und schätzt die unmittelbare Bereitschaft (Ladezustand) sowie die voraussichtliche langfristige Zuverlässigkeit (Gesundheitszustand) der Batterie ein.

Die Batteriekontrolle und -kommunikation meldet den Betriebsstatus und unterstützt die Fernsteuerung.

Der Wechselrichter/Transformator wandelt den Gleichstrom (DC) der Batterie in Wechselstrom (AC) um und verbindet das BESS mit dem Netz.

Zu den wichtigsten Leistungsfaktoren für den Anschluss dieser BESS-Blöcke gehören:

• Hohe Leistungs- und Signaldichte
• Einfache Installation im Feld
• Hohe Zuverlässigkeit in robusten und rauen Umgebungen

Anschluss von Stromschienen

Für eine Batteriesystemlösung mit hoher Leistungsdichte können Entwickler auf die Kabelkonfektion BarKlip BK200 zurückgreifen, um bis zu 200 Ampere (A) pro Kontakt zwischen Sammelschienen, Kabeln und Leiterplatten zu verteilen (Abbildung 2). Sie hat einen maximalen Widerstand von 0,20 Milliohm (mΩ) pro Anschluss und ist damit sehr effizient. Diese Kabelkonfektionierung ermöglicht eine direkte steckbare Verbindung mit einer Systemrackschiene und einer 3,00 Millimeter (mm) dicken Kupferschiene und unterstützt die einfache Installation. Die 14 freitragenden Balken bieten eine nachgiebige Feder, die Schwankungen in der Ausrichtung der Stromschienen und der Oberflächenbeschaffenheit ausgleicht, was zu einer hohen Zuverlässigkeit führt.

Abbildung 2: Die Kabelkonfektion BarKlip BK200 kann bis zu 200 A pro Kontakt für die Verbindung von Batteriesystemen aufnehmen. (Bildquelle: Amphenol)

Steckverbinder für Wechselrichter

Das AC- und DC-Stromverteilungssystem PwrBlade+ für Anwendungen, die eine höhere lineare Stromdichte und eine geringe Verlustleistung erfordern, ist eine gute Ergänzung für das Batterieladegerät und den Wechselrichter (Abbildung 3). Es unterstützt bis zu 192 A pro linearem Zoll (A/linear in.) mit acht benachbarten Hochleistungskontakten und einem Übergangswiderstand von ≤0,7 mΩ. Diese Steckverbinder umfassen auch Niederspannungs- und Signalkontakte für eine Komplettlösung.

Abbildung 3: Batterieladegeräte und Wechselrichter können AC- und DC-Stromverteilungsanschlüsse der Serie PwrBlade+ verwenden. (Bildquelle: Amphenol)

BMS-Verbindungstechnik

Bei der Integration von BMS-Systemen kann die Serie „CoolPower Slim Drawer“ verwendet werden. Sie unterstützt bis zu 60 A pro Pin und hat einen Kontaktwiderstand von 0,4 mΩ. Sie ist mit verschiedenen Kombinationen von Strom- und Signalkontakten sowie mit Montage- und Anschlussoptionen konfigurierbar (Abbildung 4). Merkmale wie Blindsteckung, sequenzielle Steckung und Hot-Plug sind auch für BMS-Systeme wichtig. Als Anwendungsbeispiele hat die Teilenummer DWRT424SV23690 28 Sockel und die Teilenummer DWRT820PR233B2 28 Pins.

Abbildung 4:Die Steckverbinder CoolPower Slim Drawer eignen sich für die Integration von BMS. (Bildquelle: Amphenol)

BMS-Verbindungen in kleineren BESSs können von der ComboLock-Serie profitieren, einem hybriden Draht-zu-Board-Steckverbindersystem, das Platz spart und eine einfachere Montage und Kabelverwaltung ermöglicht. Diese Steckverbinder bieten fünf bis 19 Signalstifte und zwei bis acht Stromversorgungsstifte und sind in vertikaler und rechtwinkliger Konfiguration mit oberflächenmontierten Anschlüssen erhältlich (Abbildung 5). Die Stromversorgungspins können bis zu 10 A übertragen. Die Teilenummer 10162688-207206CLF bietet beispielsweise acht Stromversorgungspins und sieben Signalpins, während die Teilenummer 10162688-205202CLF zwei Stromversorgungspins und fünf Signalpins hat. Diese Steckverbinder bieten eine aktive Verriegelungsfunktion für hohe Zuverlässigkeit.

Abbildung 5: Kleinere BESS können ComboLock-Anschlüsse im BMS verwenden. (Bildquelle: Amphenol)

Verbindung mit der Außenwelt

Das schwimmend gelagerte Board-zu-Board-Steckverbindersystem mit einem Raster von 0,50 mm wurde für Anwendungen wie die Batteriesteuerung und den Kommunikationsblock entwickelt, die von einer kompakten Lösung profitieren würden, die Hochgeschwindigkeitskommunikation bis zu 10 Gigabit pro Sekunde (Gbits/s) und einen 5A-Stromanschluss unterstützt (Abbildung 6). Der Stecker mit der Teilenummer B3221B7L111260E100 bietet 60 Positionen (unten), während die Teilenummer B3291B7L111260E100 (oben) 60 Buchsen aufweist. Für erhöhte Zuverlässigkeit und einfache Montage haben diese Steckverbinder einen Betriebstemperaturbereich von -55˚C bis 125°C, ein narrensicheres Steckdesign und Richtungsführungsfunktionen für einfaches Stecken.

Abbildung 6: Board-zu-Board-Anschlüsse mit Spiel wie der B3221B7L111260E100 (unten) und der B3291B7L111260E100 (oben) unterstützen den Bedarf an Stromversorgung und Highspeed-Kommunikation des Batteriesteuerungs- und Kommunikationsblocks. (Bildquelle: Amphenol)

Fazit

Steckverbinder spielen eine entscheidende Rolle bei der Integration, der einfachen Installation und dem zuverlässigen Betrieb eines kommerziellen BESS. Die Vielfalt der funktionalen Bausteine, die für den Aufbau eines BESS benötigt werden, erfordert eine Reihe von Verbindungsmöglichkeiten, um einen effizienten und kostengünstigen Transport von Signalen und Energie in rauen und ungünstigen Umgebungen zu ermöglichen. Wie gezeigt, stehen den Entwicklern zahlreiche Steckverbinderoptionen zur Verfügung, die die erforderlichen hohen Leistungs- und Signaldichten zuverlässig unterstützen.

Empfohlene Lektüre

BESS: Eine Lösung für proaktives Energiemanagement

Referenz

1: An Introduction to Demand Charges, National Renewable Energy Laboratory