Sådan sikrer du sikre og effektive modulære BESS-installationer ved hjælp af sammenbyggelige batteripol-konnektorer

Brugen af modulære batteri oplagringssystemer (BESS'er) er stigende i bolig-, industri- og service-installationer. BESS'er består af flere sammenkoblede batterimoduler og leverer backupstrøm, hvis hovednettet svigter, regulerer spidsbelastninger i industrielle miljøer og understøtter net-integrationen af vedvarende energikilder som vind- og solenergi. Mens deres modulære arkitektur forenkler installationen, muliggør skalerbarhed og understøtter effektiv udskiftning af udtjente batterimoduler, skal designerne være særligt omhyggelige med valget af batteripol-konnektorer.

Ud over at opfylde de nyeste standarder for sikkerhed og performance, samt være robuste og omkostningseffektive skal designerne tage højde for fleksibilitet i forbindelse med orientering af konnektorerne og evnen til at modstå flere indsættelse-/udtrækningscyklusser, samtidig med at den elektriske kontaktmodstand er minimal for at forhindre overophedning. For at sikre brugerens sikkerhed bør funktioner som beskyttelse mod forkert pol-tilslutning og fuld berøringssikkerhed også være på tjeklisten over krav.

Denne artikel omhandler de problemer, der er forbundet med tilslutning af BESS-moduler. Derefter introduceres og vises det, hvordan man anvender en serie af plugbare batteripol-konnektorer fra Phoenix Contact, der er designet til BESS-applikationer.

Krav til ydeevne for batteripol-konnektorer

Forventningerne til batteripol-konnektorer ydeevne varierer mellem bolig-, erhvervs- og service-applikationer (tabel 1). Sikkerhed er en prioritet for alle, men installationer i boliger har stor fleksibilitet. Vedligeholdelseshensyn er vigtige i kommercielle BESS-konstruktioner. BESS-installationer i forsyningsskala lægger mindre vægt på fleksibilitet, men er den mest krævende anvendelse generelt med forventninger om hurtig installation (lav arbejdstid), høj sikkerhed, lav fejlfrekvens, lave omkostninger og effektiv vedligeholdelse. Valg af den rigtige forbindelsesløsning er afgørende for at opfylde de forskellige krav til ydeevne.

Tabel 1: Forskellige anvendelser har forskellige krav til BESS-konnektorenes ydeevne. Det rigtige batteripol-konnektorer kan opfylde kravene i alle tre anvendelseskategorier. (Billedkilde: Phoenix Contact)

Kabelsamlinger med kabelsko er en almindelig metode til at forbinde batterimoduler i et BESS (Figur 1). Kabelsko er relativt billige, men de har flere ulemper, når de bruges i en BESS-installation:

• De lider under dårlig standardisering og mangler fleksibilitet i anvendelsen
• Manuel tilslutning og stramning af møtrikkerne på hver enkelt kabelskoforbindelse er en tidskrævende proces og kan være udsat for fejl i ledningerne
• Hvis møtrikkerne ikke er strammet korrekt, kan forbindelsen have en høj modstand, hvilket kan føre til overophedning
• Kabelsko er ikke beskyttet mod miljøet; når de anvendes i udendørs kabinetter, kan pålideligheden af kabelsko reduceres ved udsættelse for støv eller vandstråler med lav tryk samt kondensvand og vandstænk
• Kabelsko er ikke berøringssikre og overholder ikke de gældende sikkerhedsstandarder, hvilket udgør en potentiel risiko for stød for installatører og vedligeholdelsespersonale

Figur 1: Ledningsføring af et modulært BESS-system med kabelsko er tidskrævende og udsat for ledningsfejl, og kabelsko er ikke i sig selv berøringssikre. (Billede: Phoenix Contact)

For at afhjælpe ulemperne ved at bruge kabelsko kan designere bruge specielt designede tilslutningsbare batteripol-konnektorer fra Phoenix Contact, der opfylder kravene til BESS-installationer til forbrugere, kommercielle/industrielle og service-applikationer (Figur 2).

Figur 2: Tilslutningsbare batteripol-konnektorer til BESS overvinder begrænsningerne ved kabelsko og opfylder kravene til ydeevne i forbruger-, industri- og service-installationer. (Billedkilde: Phoenix Contact)

Disse konnektorer giver god tilgængelighed og fleksibilitet til at forbinde til batteripolerne fra alle retninger for hurtig installation med lav kontaktmodstand. De har beskyttelse mod omvendt polaritet og er fuldt ud berøringssikre af hensyn til operatørens sikkerhed. Et IP65-klassificeret hus giver beskyttelse mod støvindtrængning og mod vandstråler med lavtryk fra alle retninger samt beskyttelse mod kondensvand og vandstænk.

Konnektorerne har en overspændingskategori III-klassificering fra International Electrotechnical Commission (IEC) og kan modstå transiente spændinger i faste installationer som f.eks. udendørs kabinetter, der indeholder BESS'er. De har en IEC 60664-1 forureningsgrad på 2, hvilket gør dem egnede til brug i miljøer, hvor der kun forekommer ikke-ledende forurening, bortset fra at der lejlighedsvis kan forekomme midlertidig ledningsevne som følge af kondensvand.

Phoenix Contact batteripol-konnektorer er farvekodet og mekanisk nøgleforbundet for at forhindre krydskobling og kan blot sættes i det berøringsbeskyttede konnektor, hvor de klikker på plads og låses i position (Figur 3).

Figur 3: Disse stikbare batteripol-konnektorer er mekanisk nøgle- og farvekodet for at forhindre krydskobling. Der høres et "klik", når de sættes i den berøringsbeskyttede kontakt og låses i position. (Billedkilde: Phoenix Contact)

For at forenkle og fremskynde installationen yderligere kan konnektorerne drejes op til 360˚ efter behov. Ved at bruge disse batteripol-konnektorer kan man spare tre fjerdedele af den typiske installationstid i forhold til at bruge kabelsko. Et typisk industrielt eller kommercielt batteri stativ kan have 10 til 12 moduler, mens et BESS-anlæg i en container har hundredvis eller tusindvis af batterimoduler. I sådanne applikationer er der betydelige besparelser i installationstid og omkostninger ved at bruge specielt konstruerede batteripol-konnektorer sammenlignet med kabelsko.

Disse tilslutningsbare batteripol-konnektorer har lav kontaktmodstand og understøtter et højt niveau af pålidelig og sikker drift, herunder positive låsemekanismer for at forhindre utilsigtet frakobling (Figur 4). De er normeret til 1500 volt DC (V_DC), 120 ampere (A) og til over 100 indsætning-/udtrækningscyklusser med en isætningskraft ≤ 75 Newtons (N) og en udtrækningskraft på ≥10 N.

Figur 4: Disse tilslutningsbare batteripol-konnektorer har en positiv låsemekanisme: Til venstre (A) er låsemekanismen/udløsningshåndtaget vist i låst tilstand; i midten (C) er parret frakoblet; denne frakobling opnås ved at skubbe låsemekanismen (til højre, B) fremad mod den matchende grænseflade. (Billedkilde: Phoenix Contact)

Eksempler på batteripol-konnektorer

Batteripol-konnektor systemet fra Phoenix Contact består af parvis af kabel- og panelmonteringskonnektorer med forsølvede kontakter med en samlet kontaktmodstand på ≤5 milliohm (mΩ). Konnektorerne er klassificeret i henhold til UL 4128, den nyeste UL-standard for batterianvendelser. Før denne standard blev de fleste batteri-konnektorer vurderet i henhold til UL 1977-standarden, som er en mere generel standard med en maksimal spænding på 1.000 V_DC. Phoenix Contact batteripol-konnektorer er klassificeret til 1500 V_DC og opfylder UL 4128-standarden. Ud over at opfylde den seneste UL 4128-standard (anført nedenfor) opfylder disse batteripol-konnektorer kravene i vigtige BESS-relaterede internationale standarder, herunder:

• IEC 61984 - Konnektorer - Sikkerhedskrav og prøvninger
• IEC 62933 - Elektriske energilagringssystemer (EES)
• IEC 63066 - Lavspændingsdocking-konnektorer til flytbare energilagerenheder
• UL 9540 - Standard for energilagringssystemer og -udstyr
• UL 4128 - Undersøgelse af intercell- og intertier-konnektorer til brug i elektrokemiske batterisystemer

Kabel-konnektorer som 1106307 leveres i sort til negative poler, mens 1106306-konnektoren leveres i orange til positive poler (Figur 5). En crimp-terminering på kabelstifterne kan håndtere kabler på 16 mm² og 25 mm² med en afisolering på 22 mm (længde). En glidende låsemekanisme forhindrer utilsigtet frakobling.

Figur 5: Kabelernes forbindelseshalvdel af batteripol-konnektor systemet er tilgængelig i orange til positive poler (vist ovenfor) og sort til negative poler. Den omfatter en glidende låsemekanisme (på højre side af konnektoren ovenfor) for at forhindre utilsigtet frakobling. (Billedkilde: Phoenix Contact)

Ud over at opfylde installatørernes og systemintegratorernes tekniske krav giver de panelmonterede batteripol-konnektorer BESS-systemdesignere fleksibilitet til at vælge en samleskinne- eller skrue-postfastgørelse i systemet (Figur 6). Ligesom kabelkonnektorerne er tilgængelige panelmonterings-konnektorerne i orange for positive poler (med valg af samleskinne, f.eks. 1130816, eller skruefastgørelser, f.eks. 1106303) og sort for negative poler (med valg af samleskinne, f.eks. 1130814, eller skruefastgørelser, f.eks. 1106304).

Figur 6: Den halvdel af den panelmonterede batteripol-konnektorer er tilgængelig med mulighed for systemtilslutning med samleskinne (til venstre) eller skruekonnektorer (til højre). (Billedkilde: Phoenix Contact)

En oversigt over de egenskaber og fordele ved batteripol-konnektor systemer omfatter:

• 75 % hurtigere installationstid sammenlignet med kabelsko, reducerer installationsomkostningerne
• Farvekodet til identifikation af polaritet:
  • Orange (+) positiv
  • Sort (-) negativ
• Sorte og orange konnektorpar har unikke grænseflader for at forhindre krydskobling
• Positiv låsemekanisme forhindrer utilsigtet frakobling
• Kabel-konnektorer har crimp-termineringer til ledningsstørrelser på 16 mm² og 25 mm²
• Det sammenkoblede konnektorsystem kan drejes 360° for at forenkle installationen
• Normeret til 100 indsættelses-/udtrækningscyklusser med en indsættelseskraft ≤75 N og en udtrækningskraft på ≥10 N
• Fuldt berøringsbeskyttet design for at sikre operatørens sikkerhed
• IP65-klassificerede huse giver miljøbeskyttelse
• Forsølvede kontakter for en kontaktmodstand ≤5 mΩ og en pålidelig forbindelsesgrænseflade
• IEC-klassificeret til 120 A og 1500 V_DC
• Driftstemperaturområde fra -40 °C til +125 °C

Overvejelser om design og anvendelse

For at sikre en sikker og pålidelig drift er der flere faktorer, som designere og installatører skal tage hensyn til, når de anvender tilslutningsbare batteripol-konnektor systemer:

• Tilslut eller frakobl ikke konnektorerne med belastning.
• Konnektorerne skal være sat helt i stikket og låst, før systemet aktiveres.
• Under normal drift vil konnektorerne være varmt. Under omgivelser med høje temperaturer kan disse konnektorer fortsætte med at blive varmere. Hvis konnektorerne forventes at blive brugt under høje omgivelsestemperaturer, kan det være nødvendigt med forbrændingsadvarsler som dem, der kræves i DIN EN ISO 13732-1:2008-12.
• En beskyttelseshætte skal placeres på konnektorer, der ikke er i brug.
• Trækbelastningen på forbindelserne i en kabelsamling må ikke overstige den øvre grænse i specifikationen.

Konklusion

Efterhånden som udbredelsen af BESS-systemer accelererer for at sikre pålidelig strøm og tilpasse sig vedvarende energikilder, skal designerne være ekstra opmærksomme på kravene til batteripol-konnektorer til disse modulære batterisystemer. Ved hjælp af tilslutningsbare batteripol-konnektorer kan designere opfylde centrale sikkerheds- og præstationskrav og samtidig støtte pålidelighed, skalerbarhed, vedligeholdelse, miljø- og omkostningskrav i BESS-installationer i boliger, kommercielle/industrielle områder og service BESS-installationer.

Anbefalet læsning

1. BESS: En løsning til proaktiv energistyring