Come garantire distribuzioni BESS modulari sicure ed efficienti con i connettori per poli di batteria innestabili

L'uso dei sistemi modulari di immagazzinaggio dell'energia a batteria (BESS) sta crescendo nelle installazioni residenziali, industriali e destinate alle utenze pubbliche. Composti da più moduli di batterie interconnesse, i BESS forniscono energia di riserva in caso di guasto della rete principale, regolano i picchi di utilizzo dell'energia in ambienti industriali e supportano l'integrazione in rete di fonti di energia rinnovabili come l'eolico e il solare. Mentre la loro architettura modulare semplifica l'installazione, permette la scalabilità e supporta la sostituzione efficiente dei moduli usurati, i progettisti devono fare particolare attenzione alla scelta dei connettori per i poli della batteria.

Oltre a soddisfare i più recenti standard di sicurezza e prestazioni, essere robusti ed economicamente vantaggiosi, i progettisti devono tener conto della flessibilità dei connettori per la scelta dell'orientamento e la capacità di resistere a più cicli di inserimento/disinserimento, mantenendo una resistenza di contatto elettrico minima per evitare il surriscaldamento. Inoltre, per garantire la sicurezza dell'utente, caratteristiche come la protezione dall'inversione di polarità ed essere a prova di contatto devono essere requisiti imprescindibili.

Questo articolo discute i problemi associati alla connettività dei moduli BESS. Presenta poi e mostra come applicare una linea di connettori per batterie innestabili di Phoenix Contact progettati per applicazioni BESS.

Requisiti prestazionali per i connettori per poli di batteria

Le aspettative prestazionali per i connettori per poli di batteria variano tra le applicazioni residenziali, commerciali e delle utenze pubbliche (Tabella 1). Mentre la sicurezza è una priorità per tutti, le installazioni residenziali beneficiano di alti livelli di flessibilità. Le considerazioni sulla manutenzione sono importanti nei progetti BESS commerciali. Le installazioni BESS su scala industriale pongono meno enfasi sulla flessibilità ma sono in generale l'applicazione più esigente, con l'aspettativa di un'installazione veloce (basso tempo di manodopera), alta sicurezza, bassi tassi di guasto, basso costo e manutenzione efficiente. La selezione della giusta soluzione di connettività è fondamentale per soddisfare le diverse richieste prestazionali.

Tabella 1: Applicazioni diverse hanno requisiti prestazionali diversi dei connettori BESS. Il giusto connettore per poli di batteria può soddisfare le esigenze di tutte e tre le categorie di applicazioni. (Immagine per gentile concessione di Phoenix Contact)

I cavi assemblati con capocorda sono un modo comune per collegare i moduli batteria in un BESS (Figura 1). I connettori a capocorda costano relativamente poco, ma hanno diversi svantaggi quando sono usati in un'installazione BESS:

• Soffrono di scarsa standardizzazione e mancanza di flessibilità applicativa
• Collegare e serrare manualmente i dadi su ogni connettore a capocorda richiede tempo e può essere una pratica passibile di errori
• Se i dadi non sono serrati correttamente, il collegamento può avere una resistenza elevata, con conseguente surriscaldamento
• I connettori a capocorda non sono protetti dall'ambiente; se sono utilizzati in involucri esterni, la loro affidabilità può ridursi a causa dell'esposizione alla polvere o a getti d'acqua a bassa pressione, nonché della condensa e degli spruzzi d'acqua
• I connettori a capocorda non sono a prova di contatto e non sono conformi agli attuali standard di sicurezza, presentando dunque un potenziale rischio di scossa per gli installatori e i manutentori

Figura 1: Il cablaggio di un BESS modulare con cavi assemblati con capocorda richiede tempo ed è soggetto a errori; i connettori a capocorda non sono intrinsecamente sicuri al tatto. (Immagine per gentile concessione di Phoenix Contact)

Per superare gli svantaggi dell'uso di connettori a capocorda, i progettisti possono usare i connettori per poli di batteria appositamente progettati da Phoenix Contact, che soddisfano i requisiti delle installazioni BESS di tipo consumer, commerciale/industriale e per le utenze (Figura 2).

Figura 2: I connettori per poli di batteria innestabili per BESS superano le limitazioni dei connettori a capocorda e soddisfano le richieste prestazionali delle installazioni consumer, industriali e delle utenze pubbliche. (Immagine per gentile concessione di Phoenix Contact)

Questi connettori offrono una buona accessibilità e la flessibilità di collegarsi al polo della batteria con qualsiasi orientamento per una rapida installazione, con una bassa resistenza di contatto. Includono la protezione dalla polarità inversa e sono completamente a prova di contatto per la sicurezza dell'operatore. Un alloggiamento IP65 fornisce protezione contro l'ingresso di polvere e contro i getti d'acqua a bassa pressione da qualsiasi direzione, oltre alla protezione dalla condensa e dagli spruzzi d'acqua.

I connettori hanno una sovratensione nominale di categoria III secondo la Commissione Elettrotecnica Internazionale (IEC) e sono in grado di resistere a tensioni transitorie in installazioni fisse come gli armadi esterni che ospitano i BESS. Hanno un grado di inquinamento IEC 60664-1 di 2, che li rende adatti all'uso in ambienti in cui si verifica solo inquinamento non conduttivo, dove occasionalmente può anche verificarsi una condizione di conduttività temporanea causata dalla condensa.

I connettori per poli di batteria innestabili di Phoenix Contact sono codificati a colori e hanno una chiavetta meccanica per prevenire il cablaggio incrociato e possono essere semplicemente inseriti nella presa a prova di contatto, dove scattano in posizione e si bloccano (Figura 3).

Figura 3: Questi connettori per poli di batteria innestabili hanno una chiavetta meccanica e codifica a colori per prevenire il cablaggio incrociato. Scattano con un clic udibile quando si inseriscono nella presa a prova di contatto e si bloccano in posizione (Immagine per gentile concessione di Phoenix Contact)

Semplificando e velocizzando ulteriormente l'installazione, i connettori possono essere ruotati fino a 360° secondo necessità. L'uso di questi connettori per poli di batteria può far risparmiare tre quarti del tempo di installazione tipico necessario rispetto all'uso dei connettori a capocorda. Un tipico rack di batterie industriale o commerciale può avere da 10 a 12 moduli, mentre un'installazione BESS su scala industriale in un container ha centinaia o migliaia di moduli di batterie. In tali applicazioni, i risparmi sui tempi di installazione e sui costi derivanti dall'utilizzo di connettori per poli di batteria appositamente progettati rispetto ai connettori a capocorda sono sostanziali.

Questi connettori per poli di batteria innestabili sono caratterizzati da una bassa resistenza di contatto e supportano alti livelli di funzionamento affidabile e sicuro, tra cui meccanismi di bloccaggio a sicurezza intrinseca per prevenire disconnessioni accidentali (Figura 4). Sono classificati a 1500 V_c.c., 120 A e per oltre 100 cicli di inserimento/disinserimento con una forza di inserimento ≤75 N e una forza di estrazione ≥10 N.

Figura 4: Questi connettori per poli di batteria innestabili hanno un meccanismo di bloccaggio a sicurezza intrinseca: a sinistra (A) il meccanismo di bloccaggio/leva di sbloccaggio appare nello stato bloccato; al centro (C) la coppia è scollegata; lo scollegamento si ottiene facendo scorrere il meccanismo di bloccaggio (destra, B) in avanti verso l'interfaccia di accoppiamento. (Immagine per gentile concessione di Phoenix Contact)

Esempi di connettori per poli di batteria

Il sistema di connettori per poli di batteria di Phoenix Contact consiste in coppie di connettori per cavi e connettori a pannello con contatti argentati, con una resistenza di contatto totale ≤5 mΩ. I connettori sono classificati ai sensi UL 4128, il più recente standard UL per le applicazioni a batteria. Prima di questo standard, la maggior parte dei connettori per batterie erano classificati ai sensi UL 1977, uno standard più generico con una tensione massima di 1.000 V_c.c.. I connettori per poli di batteria di Phoenix Contact sono classificati a 1500 V_c.c., conformi allo standard UL 4128. Oltre a soddisfare il più recente standard UL 4128 (elencato di seguito), questi connettori per poli di batteria soddisfano i requisiti di importanti standard internazionali relativi ai BESS, tra cui:

• IEC 61984 - Connettori - Requisiti di sicurezza e prove
• IEC 62933 - Sistemi di immagazzinaggio dell'energia elettrica (EES)
• IEC 63066 - Connettori a bassa tensione per accumulatori di energia rimovibili
• UL 9540 - Standard per i sistemi e le attrezzature per l'immagazzinaggio dell'energia
• UL 4128 - Schema di indagine per i connettori intercellulari e di interfaccia per l'uso in applicazioni di sistemi con batterie elettrochimiche

I connettori per cavi come 1106307 sono disponibili in nero per i poli negativi, mentre il connettore 1106306 è disponibile in arancione per i poli positivi (Figura 5). Una terminazione a crimpare sui connettori può accettare cavi di 16 mm² e 25 mm², con una lunghezza di spellatura di 22 mm. Un meccanismo di bloccaggio scorrevole previene le disconnessioni accidentali.

Figura 5: La metà di un connettore per cavo del sistema di connessione per poli di batteria è disponibile in arancione per i poli positivi (illustrato sopra) e in nero per i poli negativi. Include un meccanismo di bloccaggio scorrevole (sul lato destro del connettore, qui sopra) per evitare le disconnessioni accidentali. (Immagine per gentile concessione di Phoenix Contact)

Oltre a soddisfare i requisiti tecnici degli installatori e degli integratori di sistemi, i connettori per poli di batteria montati a pannello offrono ai progettisti di sistemi BESS la flessibilità di scegliere l'attacco tra sbarra omnibus o perno a vite all'interno del sistema (Figura 6). Come i connettori per cavi, i connettori a pannello sono offerti in arancione per i poli positivi (con una scelta dell'attacco su sbarra omnibus, come 1130816, o su perno a vite, come 1106303) e nero per i poli negativi (con una scelta dell'attacco su sbarra omnibus, come 1130814, o su perno a vite, come 1106304).

Figura 6: La metà del connettore per poli di batteria montato a pannello è disponibile con opzioni di connessione su sbarra omnibus (sinistra) o su perno a vite (destra). (Immagine per gentile concessione di Phoenix Contact)

Ricapitolando, le caratteristiche e i vantaggi prestazionali del sistema di connettori per poli di batteria includono:

• Tempi di installazione più veloci del 75% rispetto ai connettori a capocorda; riducono i costi di installazione
• Codifica a colori per la facile identificazione della polarità:
  • Arancione (+) positivo
  • Nero (-) negativo
• Le coppie di connettori in nero e arancione hanno interfacce esclusive per impedire errori di accoppiamento
• Il meccanismo di bloccaggio a sicurezza intrinseca previene le disconnessioni accidentali
• I connettori per cavi hanno terminazioni a crimpare per fili di sezione 16 mm² e 25 mm²
• Il sistema di connettori accoppiati può essere ruotato di 360° per semplificare l'installazione
• Classificato per 100 cicli di inserimento/disinserimento con una forza di inserimento ≤75 N e una forza di disinserimento ≥10 N
• Design completamente a prova di contatto per la sicurezza dell'operatore
• Gli alloggiamenti IP65 assicurano la protezione ambientale
• Contatti argentati per una resistenza di contatto ≤5 mΩ e un'interfaccia di connessione affidabile
• Classificati IEC per 120 A e 1500 V_c.c.
• Intervallo della temperatura di funzionamento da -40 a +125 °C

Considerazioni sul design e sull'applicazione

Per garantire un funzionamento sicuro e affidabile, i progettisti e gli installatori devono prendere in considerazione diversi fattori quando utilizzano sistemi di connettori per poli di batteria innestabili:

• Non collegare o scollegare i connettori sotto carico.
• Il connettore deve essere completamente inserito e interbloccato prima di essere messo in tensione.
• In condizioni di funzionamento normale, il connettore sarà caldo. In condizioni ambientali di alta temperatura, questi connettori possono continuare a scaldarsi. Se si prevede che il connettore sarà utilizzato in presenza di alte temperature ambientali, potrebbe essere necessario affiggere avvisi sul pericolo di ustioni, come richiesto dalla norma DIN EN ISO 13732-1:2008-12.
• Deve essere apposto un cappuccio protettivo sui connettori non utilizzati.
• Il carico in trazione sui connettori di un cavo assemblato non può superare il limite superiore della specifica.

Conclusione

Con l'accelerazione della diffusione dei sistemi BESS per garantire un'alimentazione affidabile e adattarsi alle fonti di energia rinnovabili, i progettisti devono prestare particolare attenzione ai requisiti dei connettori per poli di batteria per questi sistemi di batterie modulari. Utilizzando i connettori per poli di batteria innestabili, i progettisti possono soddisfare i requisiti di sicurezza e di prestazione fondamentali, assicurando anche l'affidabilità, la scalabilità, la facilità di manutenzione, la protezione ambientale e i limiti di costo delle installazioni BESS residenziali, commerciali/industriali e per le utenze pubbliche.

Letture consigliate

1. BESS: una soluzione per gestire l'energia in modo proattivo