Batteriespeicher Die Vorteile von steckbaren Batteriepolklemmen

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Steckbare Batteriepolklemmen bieten eine gute Zugänglichkeit und der Batteriepol lässt sich aus jeder Richtung anschließen. Damit ist eine schnelle Installation mit geringem Übergangswiderstand möglich.

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 verbrauchten Batteriemodulen unterstützt, müssen die Entwickler bei der Auswahl der Batteriepolklemmen besonders vorsichtig sein.

Diese müssen die aktuellen Sicherheits- und Leistungsstandards erfüllen, robust und kosteneffizient sein sowie flexibel hinsichtlich Ausrichtung sein. Mehrere Steck- und Trennzyklen sind ebenso gefordert wie ein minimaler elektrischer Kontaktwiderstand, um Überhitzung zu vermeiden.

Um die Sicherheit der Benutzer zu gewährleisten, sollten außerdem Merkmale wie Verpolschutz und Berührungssicherheit auf der Anforderungsliste des Konstrukteurs stehen.

In diesem Artikel wird kurz auf die Probleme bei 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.

Anforderungen an Batteriepolverbinder

Die Anforderungen an Batteriepolanschlüsse differieren je nach Anwendung. Während die Sicherheit immer Priorität hat, profitieren Wohnanlagen von einem hohen Maß an Flexibilität.

Wartungsaspekte sind bei kommerziellen BESS-Konzepten wichtig. BESS-Installationen im Versorgungsbetrieb müssen zwar weniger flexibel sein, sie 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 Anforderungen zu erfüllen.

Kabelschuhe sind eine gängige Methode um Batteriemodule in einem Batteriespeichersystemen zu verbinden. Kabelschuhe sind relativ kostengünstig, haben aber mehrere Nachteile, wenn sie in einer BESS-In­stallation verwendet werden:

• Schlechte Standardisierung und wenig Anwendungsflexibilität.

• Manuelles Verbinden und Anziehen der Muttern an jedem Kabelschuh ist zeitaufwändig und kann zu Verdrahtungsfehlern führen.

• Verbindung hat einen hohen Widerstand wenn Muttern nicht richtig angezogen sind, 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.

Um die Nachteile bei der Verwendung von Kabelschuhen zu minimieren, 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 (Bild 1). Diese Steckverbinder bieten eine gute Zugänglichkeit und der Batteriepol lässt sich aus jeder Richtung anschließen.

Damit ist eine schnelle Installation mit geringem Übergangswiderstand möglich. Sie verfügen über einen Verpolschutz und sind vollständig berührungssicher. Das Gehäuse in 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 halten transienten Spannungen in festen Installationen wie z. B. Außenschränken, in denen BESS untergebracht sind, stand. 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 sind farb- und mechanisch kodiert, um Fehlverdrahtungen zu verhindern, und können einfach in die berührungsgeschützte Buchse gesteckt werden, wo sie einrasten und verriegeln (Bild 3).

Zur weiteren Vereinfachung und einer schnelleren Installation können die Steckverbinder bei Bedarf bis zu 360˚ gedreht werden. Der Einsatz der Batteriepolklemmen spart laut Hersteller im Vergleich zu Kabelschuhen drei Viertel der typischen Installationszeit.

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 speziell entwickelter Batteriepolklemmen im Vergleich zu Kabelschuhen erheblich.

Die 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. Sie sind für 1.500 V Gleichstrom (VDC), 120 A und für über 100 Steck-/Trennzyklen mit einer Einsteckkraft ≤75 N und einer Ausziehkraft von ≥10 N ausgelegt.

Normen: Aufbau einer Batteriepolklemme

Das Batteriepol-Steckverbindersystem besteht aus Kabel- und Einbausteckerpaaren mit versilberten Kontakten, die einen Gesamtübergangswiderstand von ≤5 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 VDC ist. Die Batteriepolanschlüsse sind für 1500 VDC ausgelegt und erfüllen die Norm UL 4128. Zusätzlich zur UL4128 (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 (Bild 5). Ein Crimp-Anschluss an den Kabelsteckern ist für Kabelgrößen von 16 und 25 mm² mit einer Abisolierlänge von 22 mm ausgelegt. Ein verschiebbarer Verriegelungsmechanismus verhindert ein versehentliches Trennen der Verbindung.

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 nutzen (Bild 4).

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.

Batteriepolklemmen: 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.

Steckbare Batteriepolklemmen: sicher und leistungsfähig

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.

* Rolf Horn arbeitet als Applikationsingenieur bei Digi-Key Electronics in München.

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