Hoe veilige en efficiënte modulaire BESS-implementaties verzekeren met behulp van insteekbare batterijpoolconnectors

Het gebruik van modulaire batterij-energieopslagsystemen (BESS's) neemt toe in residentiële, industriële en utiliteitsinstallaties. BESS bestaan uit meerdere onderling gekoppelde batterijmodules en leveren noodstroom als het hoofdnet uitvalt, reguleren piekverbruik van energie in industriële omgevingen en ondersteunen de netintegratie van hernieuwbare energiebronnen zoals wind- en zonne-energie. Hoewel hun modulaire architectuur de installatie vereenvoudigt, schaalbaarheid mogelijk maakt en een efficiënte vervanging van versleten batterijmodules mogelijk maakt, moeten ontwerpers bijzonder zorgvuldig zijn bij de keuze van de batterijpoolconnectoren.

Ontwerpers moeten niet alleen voldoen aan de meest recente veiligheids- en prestatienormen en robuust en kosteneffectief zijn, maar moeten ook rekening houden met de flexibiliteit van de connector wat betreft oriëntatie en het vermogen om meerdere invoegings-/onttrekkingscycli te doorstaan, met behoud van een minimale elektrische contactweerstand om oververhitting te voorkomen. Met het oog op de veiligheid van de gebruiker moeten ook functies als beveiliging tegen polariteitsomkering en volledige aanraakbeveiliging op de checklist staan.

Dit artikel bespreekt de problemen in verband met de aansluiting van BESS-modules. Vervolgens wordt een reeks insteekbare batterijpoolconnectors van Phoenix Contact, die zijn ontworpen voor BESS-toepassingen, geïntroduceerd en getoond hoe deze kunnen worden toegepast.

Prestatieverwachtingen voor batterijpoolconnectors

De prestatieverwachtingen voor batterijpoolconnectors variëren naargelang het gaat om residentiële, commerciële of utiliteitstoepassingen (tabel 1). Hoewel veiligheid voor iedereen een prioriteit is, profiteren residentiële installaties van een hoge mate van flexibiliteit. Onderhoudsoverwegingen zijn belangrijk bij commerciële BESS-ontwerpen. Bij BESS-installaties op nutsschaal ligt de nadruk minder op flexibiliteit, maar over het geheel genomen zijn dit de meest veeleisende toepassingen, waarbij een snelle installatie (weinig arbeidstijd), een hoge veiligheid, een laag storingspercentage, lage kosten en efficiënt onderhoud worden verwacht. De keuze van de juiste connectiviteitsoplossing is van cruciaal belang om aan de uiteenlopende prestatie-eisen te voldoen.

Tabel 1: Verschillende toepassingen stellen uiteenlopende eisen aan de prestaties van BESS-connectors. De juiste batterijpoolconnector kan voldoen aan de eisen van alle drie de toepassingscategorieën. (Bron afbeelding: Phoenix Contact)

Kabelschoenverbindingen is een gebruikelijke methode om de batterijmodules in een BESS met elkaar te verbinden (Afbeelding 1). Kabelschoenverbindingen zijn relatief goedkoop, maar hebben verscheidene nadelen wanneer zij in een BESS-installatie worden gebruikt:

• Zij lijden onder een gebrekkige standaardisatie en een gebrek aan toepassingsflexibiliteit
• Het handmatig aansluiten en vastdraaien van de moeren op elke kabelschoen is een tijdrovend proces en kan leiden tot bedradingsfouten
• Als de moeren niet goed zijn aangedraaid, kan de verbinding een hoge weerstand hebben, met oververhitting tot gevolg
• Connectoren zijn niet beschermd tegen de omgeving; bij gebruik in buitenkasten kan de betrouwbaarheid van connectoren afnemen door blootstelling aan stof of waterstralen onder lage druk, alsook door condensatie en waternevel
• De connectoren van de wartels zijn niet aanraakveilig en voldoen niet aan de huidige veiligheidsnormen, wat een potentieel gevaar voor schokken inhoudt voor installateurs en onderhoudspersoneel

Afbeelding 1: De bedrading van een modulair BESS met kabelschoenen is tijdrovend en vatbaar voor bedradingsfouten, en kabelschoenen zijn niet inherent aanraakveilig. (Afbeelding: Phoenix Contact)

Om de nadelen van het gebruik van kabelschoenen te ondervangen, kunnen ontwerpers zich wenden tot speciaal ontworpen insteekbare batterijpoolconnectoren van Phoenix Contact die voldoen aan de eisen van BESS-installaties voor consumenten, commerciële/industriële bedrijven en nutsbedrijven (afbeelding 2).

Afbeelding 2: Insteekbare batterijpoolconnectors voor BESS overwinnen de beperkingen van kabelschoenen en voldoen aan de prestatie-eisen van consumenten-, industriële en nutsinstallaties. (Bron afbeelding: Phoenix Contact)

Deze connectors bieden een goede toegankelijkheid en de flexibiliteit om vanuit elke richting op de batterijpool aan te sluiten voor een snelle installatie, met een lage contactweerstand. Ze zijn voorzien van bescherming tegen polariteitsomkering en zijn volledig aanraakveilig voor de veiligheid van de gebruiker. Een IP65-behuizing biedt bescherming tegen het binnendringen van stof en tegen lage druk waterstralen uit alle richtingen, plus bescherming tegen condensatie en waternevel.

De connectoren hebben een overspanningscategorie III van de International Electrotechnical Commission (IEC) en zijn bestand tegen transiënte spanningen in vaste installaties, zoals buitenkasten waarin BESS's zijn ondergebracht. Zij hebben een vervuilingsgraad van 2 volgens IEC 60664-1, waardoor zij geschikt zijn voor gebruik in omgevingen waar alleen niet-geleidende vervuiling optreedt, behalve dat af en toe een tijdelijke geleidende toestand door condensatie kan optreden.

De insteekbare batterijpoolconnectors van Phoenix Contact zijn kleurgecodeerd en mechanisch gesleuteld om kruisbedrading te voorkomen en kunnen eenvoudig in de tegen aanraking beveiligde socket worden gestoken, waar ze vastklikken en in positie worden vergrendeld (Figuur 3).

Afbeelding 3: Deze insteekbare batterijpoolconnectors zijn mechanisch gesleuteld en voorzien van een kleurcodering om kruisbedrading te voorkomen. Er is een "klik" te horen wanneer ze in de tegen aanraking beveiligde socket worden gestoken en op hun plaats worden vergrendeld (Bron afbeelding: Phoenix Contact)

De installatie wordt verder vereenvoudigd en versneld doordat de connectoren naar behoefte 360˚ kunnen worden gedraaid. Het gebruik van deze batterijpoolconnectors kan een besparing opleveren van driekwart van de installatietijd die gewoonlijk nodig is in vergelijking met het gebruik van kabelschoenen. Een typische industriële of commerciële batterijhouder kan 10 tot 12 modules bevatten, terwijl een BESS-installatie op nutsschaal in een container honderden of duizenden batterijmodules bevat. Bij dergelijke toepassingen is de besparing op installatietijd en -kosten door het gebruik van speciaal ontworpen batterijpoolconnectors aanzienlijk ten opzichte van die van kabelschoenen.

Deze insteekbare batterijpoolconnectors hebben een lage contactweerstand en bieden een hoge mate van betrouwbare en veilige werking, met inbegrip van positieve vergrendelingsmechanismen om onbedoelde ontkoppeling te voorkomen (Afbeelding 4). Zij zijn geschikt voor 1500 volt gelijkstroom (V_DC), 120 ampère (A), en voor meer dan 100 cycli van inbrengen/terugtrekken met een inbrengkracht ≤ 75 Newton (N) en een terugtrekkracht ≥ 10 N.

Figuur 4: Deze insteekbare batterijpoolconnectors hebben een positief vergrendelingsmechanisme: Links (A) is het vergrendelmechanisme/ontgrendelingshendel in vergrendelde toestand te zien; in het midden (C) is het paar losgekoppeld; dit loskoppelen wordt bereikt door het vergrendelmechanisme (rechts, B) naar voren in de richting van het paringsinterface te schuiven. (Bron afbeelding: Phoenix Contact)

Voorbeelden van batterijpoolconnectors

Het batterijpoolconnectorsysteem van Phoenix Contact bestaat uit paren kabelconnectors en paneelmontageconnectors met verzilverde contacten, met een totale contactweerstand van ≤ 5 milliohm (mΩ). De connectors zijn geclassificeerd volgens UL 4128, de nieuwste UL-norm voor batterijtoepassingen. Vóór deze norm werden de meeste batterijconnectors beoordeeld volgens de norm UL 1977, een meer algemene norm met een maximale spanning van 1.000 V_DC. De batterijpoolconnectors van Phoenix Contact zijn bestand tegen 1500 V_DC en voldoen aan de UL 4128-norm. Deze batterijpoolconnectors voldoen niet alleen aan de meest recente UL 4128-norm (zie hieronder), maar voldoen ook aan de vereisten van belangrijke internationale BESS-normen, waaronder:

• IEC 61984 - Connectoren - Veiligheidseisen en beproevingen
• IEC 62933 - Opslagsystemen voor elektrische energie (EES)
• IEC 63066 - Laagspannings-dockingconnectors voor verwijderbare energieopslagunits
• UL 9540 - Norm voor energieopslagsystemen en -apparatuur
• UL 4128 – Overzicht van onderzoek voor Intercell- en Intertier-connectors voor gebruik in elektrochemische batterijsysteemtoepassingen

Kabelconnectors zoals de 1106307 zijn er in zwart voor negatieve polen, terwijl de 1106306-connector er in oranje is voor positieve polen (Afbeelding 5). Een krimpaansluiting op de kabelconnectoren kan kabeldiameters van 16 vierkante millimeter (mm²) en 25 mm² verwerken, met een striplengte van 22 mm. Een verschuifbaar vergrendelingsmechanisme voorkomt het per ongeluk loskoppelen.

Afbeelding 5: De kabelconnectorhelft van het batterijpoolconnectorsysteem wordt aangeboden in oranje voor positieve polen (hierboven afgebeeld) en zwart voor negatieve polen. Hij is voorzien van een verschuifbaar vergrendelingsmechanisme (aan de rechterkant van de connector hierboven) om te voorkomen dat de verbinding per ongeluk wordt verbroken. (Bron afbeelding: Phoenix Contact)

De op panelen gemonteerde batterijpoolconnectors voldoen niet alleen aan de technische eisen van installateurs en systeemintegrators, maar bieden ontwerpers van BESS-systemen ook de flexibiliteit om te kiezen voor een bevestiging op een rail of een schroef binnen het systeem (figuur 6). Net als de kabelconnectors worden de paneelmontageconnectors aangeboden in oranje voor positieve polen (met keuze uit een rail, zoals 1130816, of schroefklemmen, zoals 1106303) en zwart voor negatieve polen (met keuze uit een rail, bijvoorbeeld 1130814, of schroefklemmen, zoals 1106304).

Afbeelding 6: De helft van de batterijpoolconnector voor paneelmontage is verkrijgbaar met busbar (links) of schroefpaal (rechts) systeemaansluitopties. (Bron afbeelding: Phoenix Contact)

Een samenvatting van de prestatiekenmerken en voordelen van het accupoolconnectorsysteem omvat:

• 75% snellere installatietijd in vergelijking met kabelschoenen, lagere installatiekosten
• Kleurcodering voor polariteitsidentificatie:
  • Oranje (+) positief
  • Zwart (-) negatief
• Zwarte en oranje connectorparen hebben unieke interfaces om kruisbesmetting te voorkomen
• Positief vergrendelingsmechanisme voorkomt onbedoeld loskoppelen
• Kabelconnectors met krimpaansluitingen voor 16 mm² en 25 mm² draadmaten
• Het gekoppelde connectorsysteem kan 360° worden gedraaid om de installatie te vereenvoudigen
• Gewaardeerd voor 100 cycli van inbrengen/terugtrekken met een inbrengkracht ≤75 N en een terugtrekkracht van ≥10 N
• Volledig aanraakveilig ontwerp voor de veiligheid van de gebruiker
• Behuizingen met IP65-classificatie bieden bescherming voor het milieu
• Verzilverde contacten voor een contactweerstand ≤5 mΩ en een betrouwbare verbindingsinterface
• IEC nominaal voor 120 A en 1500 V_DC
• Bedrijfstemperatuurbereik van -40 °C tot +125 °C

Ontwerp- en toepassingsoverwegingen

Om een veilige en betrouwbare werking te garanderen, zijn er verschillende factoren waarmee ontwerpers en installateurs rekening moeten houden bij het gebruik van insteekbare batterijpoolconnectorsystemen:

• Verbind of ontkoppel de connectors niet onder belasting.
• De connector moet volledig zijn aangesloten en vergrendeld voordat deze wordt ingeschakeld.
• Bij normaal gebruik zal de connector warm zijn. Bij hoge omgevingstemperaturen kunnen deze connectors steeds warmer worden. Als verwacht wordt dat de connector in omstandigheden met hoge omgevingstemperaturen zal worden gebruikt, kunnen brandwaarschuwingen zoals vereist door DIN EN ISO 13732-1:2008-12 nodig zijn.
• Op connectors die niet worden gebruikt, moet een beschermkap worden geplaatst.
• De trekbelasting op de connectors in een kabelassemblage mag de bovengrens van de specificatie niet overschrijden.

Conclusie

Naarmate het gebruik van BESS-systemen toeneemt om een betrouwbare stroomvoorziening te waarborgen en zich aan te passen aan hernieuwbare energiebronnen, moeten ontwerpers extra aandacht besteden aan de eisen voor de batterijpoolconnectors voor deze modulaire batterijsystemen. Door gebruik te maken van insteekbare batterijpoolconnectors kunnen ontwerpers voldoen aan de belangrijkste veiligheids- en prestatie-eisen, terwijl zij ook de betrouwbaarheid, schaalbaarheid, onderhouds-, milieu- en kosteneisen van residentiële, commerciële/industriële en openbare BESS-installaties kunnen ondersteunen.

Aanbevolen leesmateriaal

1. BESS: Een oplossing om energie proactief te beheren