Come collegare i blocchi nei sistemi commerciali di accumulo di energia

Per semplificare l'uso e l'integrazione nella rete di risorse energetiche rinnovabili come l'energia eolica e solare, si rivelano preziosi i sistemi commerciali di accumulo dell'energia a batteria (BESS). I BESS sono complessi e sono costituiti da una batteria di grande capacità e vari sistemi, tra cui gestione della batteria, controllo della batteria, comunicazione, oltre a un inverter/trasformatore. Per ottenere efficienza e affidabilità complessive del BESS, una progettazione ottimale di ogni elemento costruttivo è essenziale, ma non sufficiente. Ogni blocco deve essere interconnesso in modo tale da resistere a condizioni difficili e garantire le migliori prestazioni. A tale scopo, i progettisti devono combinare vari tipi di connettori per ottenere le soluzioni più economiche e affidabili (Figura 1).

Figura 1: I blocchi che compongono un BESS commerciale richiedono soluzioni di connessione specifiche per garantire un funzionamento affidabile ed efficiente dell'intero sistema. (Immagine per gentile concessione di Amphenol)

In questo blog, passerò brevemente in rassegna alcuni dei vantaggi operativi offerti da un BESS, i blocchi utilizzati per realizzarne uno e le opzioni di connessione dettagliate con esempi di connettori di Amphenol.

Vantaggi dei BESS

L'installazione di un BESS non è necessariamente un'operazione altruistica. Oltre a supportare l'utilizzo e l'integrazione in rete delle energie rinnovabili, un BESS comporta vantaggi finanziari, tra cui:

Gestione della quota per potenza impegnata: molte utenze commerciali sono tenute a pagare le tariffe per potenza richiesta (o impegnata) in base ai picchi di utilizzo dell'elettricità. L'utilizzo di un BESS per ridurre i picchi di consumo energetico può abbassare la spesa energetica complessiva fino al 70%¹.

Spostamento del carico: gli algoritmi software possono essere utilizzati per analizzare i modelli di consumo energetico rispetto alle tariffe dell'energia elettrica in base al tempo di utilizzo e determinare il momento o i momenti migliori per scaricare il BESS nelle fasce con i costi più elevati.

Alimentazione di backup: le interruzioni di energia elettrica possono essere costose e un BESS può eliminare la necessità di un gruppo di continuità (UPS) separato o consentire l'uso di un UPS più piccolo e meno costoso.

Blocchi componenti di un BESS

Per la batteria occorre scegliere una chimica in grado di supportare le esigenze di accumulo di energia e di erogazione di potenza specifiche, il tipo di involucro delle celle e la struttura di integrazione del sistema, come ad esempio un rack di batterie.

Il sistema di gestione della batteria (BMS) assicura livelli di carica e scarica ottimali, monitora la temperatura e stima la prontezza di intervento (stato di carica) e l'affidabilità prevista a lungo termine (stato di salute) della batteria.

Il controllo della batteria e la comunicazione forniscono informazioni sullo stato operativo e supportano il controllo remoto.

L'inverter/trasformatore converte l'energia della batteria da corrente continua (c.c.) in corrente alternata (c.a.) e collega il BESS alla rete.

I fattori chiave delle prestazioni per il collegamento di questi blocchi BESS includono:

• Elevate densità di potenza e di segnale
• Facilità di installazione sul campo
• Elevata affidabilità in ambienti difficili e gravosi

Sbarre omnibus di collegamento

Per una soluzione di sistema a batteria ad alta densità di potenza, i progettisti possono avvalersi del cavo assemblato BarKlip BK200 per distribuire fino a 200 A per contatto tra sbarre, cavi e circuiti stampati (Figura 2). Ha una resistenza massima di 0,20 mΩ per porta, valore che lo rende altamente efficiente. Questo cavo assemblato consente un agevole collegamento diretto con una sbarra di sistema a rack e una barra di rame di 3,00 mm di spessore. Le 14 traversine a sbalzo forniscono un'elasticità conforme che si adatta alle variazioni di allineamento delle sbarre e di finitura superficiale, garantendo un'elevata affidabilità.

Figura 2: Il cavo assemblato BarKlip BK200 può distribuire fino a 200 A per contatto per le interconnessioni del sistema di batterie. (Immagine per gentile concessione di Amphenol)

Connettori per inverter

Il sistema di connettori per la distribuzione dell'energia elettrica c.a. e c.c. PwrBlade+ per le applicazioni che richiedono una maggiore densità di corrente lineare e una bassa perdita di energia è adatto sia per i caricabatterie che per gli inverter (Figura 3). Supporta fino a 75,5 A/cm lineare con otto contatti adiacenti ad alta potenza e una resistenza di contatto di ≤0,7 mΩ. Questi connettori includono anche contatti di segnale e di bassa potenza per offrire una soluzione completa.

Figura 3: Per i caricabatterie e gli inverter è possibile utilizzare i connettori di distribuzione dell'alimentazione c.a e c.c. PwrBlade+. (Immagine per gentile concessione di Amphenol)

Interconnessioni BMS

Per l'integrazione di sistemi BMS, è possibile utilizzare la serie CoolPower Slim Drawer. Supporta fino a 60 A per pin e ha una resistenza di contatto a fine vita di 0,4 mΩ. È configurabile con varie combinazioni di contatti di alimentazione e di segnale, nonché con opzioni di montaggio e terminazione (Figura 4). Caratteristiche come l'accoppiamento cieco, sequenziale e a caldo sono altrettanto importanti per i sistemi BMS. Come esempi di applicazione, il componente con codice DWRT424SV23690 ha 28 prese e DWRT820PR233B2 ha 28 pin.

Figura 4: I connettori CoolPower Slim Drawer sono adatti per l'integrazione di BMS. (Immagine per gentile concessione di Amphenol)

Le interconnessioni BMS nei BESS di taglia inferiore possono beneficiare della serie ComboLock, un sistema ibrido di connettori filo-scheda che consente di risparmiare spazio e di semplificare l'assemblaggio e la gestione dei cavi. Questi connettori hanno da cinque a 19 pin di segnale e da due a otto pin di alimentazione e sono disponibili in configurazioni verticali e ad angolo retto con terminazioni a montaggio superficiale (Figura 5). I pin di alimentazione sono in grado di trasportare fino a 10 A. Ad esempio, il componente con codice 10162688-207206CLF è dotato di otto pin di alimentazione e sette di segnale, mentre il 10162688-205202CLF ha due pin di alimentazione e cinque pin di segnale. Questi connettori sono dotati di una funzione di bloccaggio attivo per garantire un'elevata affidabilità.

Figura 5: I BESS più piccoli possono utilizzare i connettori ComboLock nel BMS. (Immagine per gentile concessione di Amphenol)

Collegamento con l'esterno

Il sistema di connettori flottanti scheda-scheda con pin di alimentazione con passo di 0,50 mm è stato progettato per applicazioni come il blocco di controllo della batteria e di comunicazione, che trarrebbero vantaggio da una soluzione compatta in grado di supportare comunicazioni ad alta velocità fino a 10 Gbit/s e un pin di alimentazione da 5 A (Figura 6). Il codice componente B3221B7L111260E100 corrisponde a un connettore a 60 posizioni (in basso); il B3291B7L111260E100 (in alto) ha 60 prese. Per una maggiore affidabilità e facilità di assemblaggio, questi connettori hanno un intervallo di temperatura di funzionamento compreso tra -55 e 125 °C, un disegno di accoppiamento a prova di errore e funzioni di guida di direzione per facilitare l'accoppiamento.

Figura 6: I connettori flottanti scheda-scheda come il B3221B7L111260E100 (in basso) e il B3291B7L111260E100 (in alto) supportano le esigenze di alimentazione e di comunicazione ad alta velocità del blocco di controllo della batteria e di comunicazione. (Immagine per gentile concessione di Amphenol)

Conclusione

I connettori svolgono un ruolo fondamentale per l'integrazione, la facilità di installazione e il funzionamento affidabile di un BESS commerciale. La varietà di blocchi funzionali necessari per la costruzione di un BESS richiede una serie di scelte di interconnessione per supportare una trasmissione efficiente ed economica sia dei segnali che dell'alimentazione in ambienti difficili. Come illustrato sopra, i progettisti hanno a disposizione numerose opzioni di connettori in grado di supportare in modo affidabile le elevate densità di potenza e di segnale richieste.

Letture consigliate

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

Riferimento

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