Hur man säkerställer säkra och effektiva modulära BESS-installationer med hjälp av anslutningsbara kontakter för batteripoler

Användningen av modulära batterilagringssystem (BESS) ökar i bostäder, industrier och anläggningar i stor skala. BESS består av flera sammankopplade batterimoduler och ger reservkraft om kraftnätet inte fungerar, reglerar toppar i energianvändningen i industriella miljöer och stöder integreringen av förnybara energikällor som vind- och solkraft i nätet. Även om den modulära arkitekturen förenklar installationen, möjliggör skalbarhet och stöder effektivt utbyte av uttjänta batterimoduler, måste konstruktörer vara särskilt försiktiga vid valet av kontakter för batteripolerna.

Förutom att uppfylla de senaste standarderna för säkerhet och prestanda, samt vara robusta och kostnadseffektiva, måste konstruktörer ta hänsyn till kontaktens riktningsflexibilitet och förmågan att klara flera in- och urkopplingscykler, samtidigt som de upprätthåller ett minimalt elektriskt kontaktmotstånd för att förhindra överhettning. För att garantera användarsäkerheten bör funktioner som skydd mot omvänd polaritet och fullständig beröringssäkerhet finnas med i checklistan.

Artikeln diskuterar de frågor som är förknippade med anslutning av BESS-moduler. Därefter presenterar och visar den hur man använder en serie anslutningsbara kontakter för batteripolerna från Phoenix Contact som är utformade för BESS-tillämpningar.

Prestandakrav för kontakter för batteripoler

Förväntningarna på prestandan hos kontakter för batteripolerna varierar mellan tillämpningar inom bostads-, kommersiella och allmännyttiga tillämpningar (tabell 1). Säkerhet är en prioritet för alla, men bostadsinstallationer drar nytta av en hög flexibilitet. Det är viktigt att ta hänsyn till underhållet när det gäller kommersiella BESS-konstruktioner. BESS-installationer i stor skala lägger mindre vikt vid flexibilitet, men är den mest krävande tillämpningen överlag, med förväntningar på snabb installation (kort arbetstid), hög säkerhet, låg felprocent, låg kostnad och effektivt underhåll. Valet av rätt anslutningslösning är avgörande för att uppfylla de varierande prestandakraven.

Tabell 1: Olika tillämpningar ställer varierande krav på BESS-kontaktens prestanda. Rätt kontakt för batteripolerna kan uppfylla kraven i alla de tre tillämpningskategorierna. (Bildkälla: Phoenix Contact)

Kabelskor är en vanlig metod för att ansluta batterimoduler i ett BESS (figur 1). Kabelskor är relativt billiga, men har flera nackdelar vid användning i en BESS-installation:

• De lider av dålig standardisering och brist på flexibilitet i tillämpningen
• Att manuellt ansluta och dra åt muttrarna på varje kabelsko är en tidskrävande process som kan leda till kopplingsfel.
• Om muttrarna inte är ordentligt åtdragna kan anslutningen ha en hög resistans, vilket kan leda till överhettning
• Kabelskor är inte skyddade från miljön. Vid användning i utomhuskapslingar kan tillförlitligheten hos kabelskorna försämras genom att de utsätts för damm eller vattenstrålar med lågt tryck samt kondensation och vattenstänk
• Kabelskorna är inte beröringssäkra och uppfyller inte gällande säkerhetsstandarder, vilket innebär en potentiell risk för stötar för installatörer och underhållspersonal

Figur 1: Det är tidskrävande att koppla ihop ett modulärt BESS med kabelskor och det finns risk för kopplingsfel. Kabelskorna är av naturliga skäl inte beröringssäkra. (Bild: Phoenix Contact)

För att övervinna nackdelarna med att använda kabelskor kan konstruktörer använda sig av särskilt utformade anslutningsbara kontakter för batteripolerna från Phoenix Contact, som uppfyller kraven för BESS-installationer hos konsumenter, kommersiella/industriella företag och allmän användning (figur 2).

Figur 2: Anslutningsbara kontakter för batteripoler för BESS övervinner begränsningarna med kabelskor och uppfyller prestandakraven för installationer för användning inom konsument-, industri och allmännyttiga installationer. (Bildkälla: Phoenix Contact)

Kontakterna har god tillgänglighet och flexibilitet för anslutning till batteripolen i valfri riktning för en snabb installation, med låg kontaktresistans. De har skydd mot omvänd polaritet och är helt beröringssäkra för operatörens säkerhet. Ett IP65-klassificerat hölje ger skydd mot damminträngning och vattenstrålar med lågt tryck från samtliga riktningar samt skydd mot kondens och vattenstänk.

Kontaktdonen är märkta för överspänningskategori III enligt International Electrotechnical Commission (IEC) och tål transienta spänningar i fasta installationer, som t.ex. i utomhusskåp för BESS. De har föroreningsgrad 2 enligt IEC 60664-1, vilket gör dem lämpliga för användning i miljöer där endast icke-ledande föroreningar förekommer, förutom att det ibland kan uppstå tillfälliga ledningstillstånd orsakat av kondens.

De anslutningsbara kontakterna för batteripoler från Phoenix Contact är färgkodade och mekaniskt nycklade för att förhindra korskoppling och kan enkelt anslutas i det beröringsskyddade uttaget där de klickar på plats och låses i position (figur 3).

Figur 3: De anslutningsbara kontakterna för batteripoler är mekaniskt nycklade och färgkodade för att förhindra korskoppling. Det hörs ett "klick" när de ansluts i det beröringsskyddade uttaget och låses fast (Bildkälla: Phoenix Contact)

För att ytterligare förenkla och påskynda installationen kan kontakterna vridas upp till 360˚ vid behov. Användningen av dessa kontakter för batteripoler kan spara tre fjärdedelar av den typiska installationstiden jämfört med användning av kabelskor. En typisk industriell eller kommersiell batterihylla kan ha 10 till 12 moduler, medan en BESS-anläggning i en container har hundratals eller tusentals batterimoduler. I sådana tillämpningar är installationstiden och kostnadsbesparingen genom att använda särskilt utformade kontakter för batteripolerna jämfört med kabelskor betydande.

De anslutningsbara kontakterna för batteripoler har en låg kontaktresistans och har stöd för en hög nivå av tillförlitlig och säker drift, inklusive positiva låsmekanismer för att förhindra oavsiktlig frånkoppling (figur 4). De är märkta för 1500 (V_DC), 120 A och för mer än 100 in-/urkopplingscykler med en inkopplingskraft på ≤ 75 N och en urkopplingskraft på ≥10 N.

Figur 4: De anslutningsbara kontakterna för batteripoler har en positiv låsmekanism: Till vänster (A) visas låsmekanismen/frigöringsspaken i låst läge; i mitten (C) visas paret urkopplat, detta uppnås genom att låsmekanismen (höger, B) skjuts framåt mot det matchande gränssnittet. (Bildkälla: Phoenix Contact)

Exempel på kontakter för batteripoler

Kontaktsystemet för batteripoler från Phoenix Contact består av par av kabelkontakter och panelmonterade uttag med försilvrade kontakter och en total kontaktresistans på ≤5 mΩ. Kontakterna är klassificerade enligt UL 4128, den senaste UL-standarden för batteritillämpningar. Före denna standard var de flesta batterikontakter klassificerade enligt standarden UL 1977, som är en mer generell standard med en maximal spänning på 1 000 V_DC. Kontakterna för batteripoler från Phoenix Contact är dimensionerade för 1500 V_DC och uppfyller standarden UL 4128. Förutom att uppfylla den senaste standarden UL 4128 (listad nedan) uppfyller dessa kontakter för batteripoler kraven i viktiga BESS-relaterade internationella standarder, inklusive:

• IEC 61984 - Anslutningsdon - Säkerhetskrav och provning
• IEC 62933 - Elektriska energilagringssystem (EES)
• IEC 63066 - Dockningskontakter för lågspänning för flyttbara energilagringsenheter
• UL 9540 - Standard för system och utrustning för energilagring
• UL 4128 - Översikt av undersökning för anslutningar med cellförbindning och internnivå i elektrokemiska batterisystem

Kabelkontakter som 1106307 är svarta för minuspoler, medan kontakten 1106306 är orange för pluspoler (figur 5). En krimpanslutning på kabelkontakterna kan hantera kablar på 16 och 25 mm², med en skalningslängd på 22 mm. En glidande låsmekanism förhindrar oavsiktlig urkoppling.

Figur 5: Kabelanslutningsdelen för batteripolens anslutningssystem finns i orange för pluspoler (bilden ovan) och svart för minuspoler. Den har en glidande låsmekanism (på höger sida av kontakten ovan) för att förhindra oavsiktliga urkopplingar. (Bildkälla: Phoenix Contact)

Förutom att uppfylla de tekniska kraven från installatörer och systemintegratörer ger de panelmonterade kopplingarna för batteripolerna möjlighet för konstruktörer av BESS-system att välja en samlingsskena eller en skruvanslutning till en stolpe i systemet (figur 6). På samma sätt som kabelkontakterna finns kontakterna för panelmontering i orange för pluspoler (med ett val av samlingsskena, som t.ex. 1130816, eller skruvfästen för stolpar, som t.ex. 1106303) och svart för minuspoler (med ett val av samlingsskena, som t.ex. 1130814, eller skruvfästen för stolpar, som t.ex. 1106304).

Figur 6: Den panelmonterade kontaktdelen för batteripoler i systemet finns med anslutningsalternativ för samlingsskenor (till vänster) eller skruvfästen för stolpar (till höger). (Bildkälla: Phoenix Contact)

En sammanfattning av prestandafunktioner och fördelar med kopplingssystemet för batteripoler omfattar:

• 75 % snabbare installationstid jämfört med kabelskor, vilket minskar installationskostnaden
• Färgkodning för identifiering av polaritet:
  • Orange (+) plus
  • Svart (-) minus
• Svarta och orangea kontaktpar har unika gränssnitt för att förhindra korskoppling
• En positiv låsmekanism förhindrar oavsiktlig urkoppling
• Kabelkontakterna har krimpanslutningar för ledningsstorlekar på 16 och 25 mm²
• Det anslutna kontaktsystemet kan vridas 360° för att förenkla installationen
• Märkt för 100 in-/urkopplingscykler med en inkopplingskraft på ≤75 N och en urkopplingskraft på ≥10 N
• Helt beröringssäker konstruktion för operatörens säkerhet
• IP65-klassificerade höljen ger miljöskydd
• Försilvrade kontakter ger en kontaktresistans på ≤5 mΩ och ett tillförlitligt anslutningsgränssnitt
• IEC-klassificerade för 120 A och 1500 V_DC
• Drifttemperaturområde på -30 till +125 °C

Överväganden vid konstruktion och tillämpning

För att garantera en säker och tillförlitlig drift finns det flera faktorer som konstruktörer och installatörer måste ta hänsyn till när de använder anslutningsbara kopplingssystem för batteripoler:

• Kontakterna får inte anslutas eller kopplas ur vid belastning.
• Kontakten måste vara helt inkopplad och låst innan den aktiveras.
• Kontakten blir varm vid normal drift. Vid höga omgivningstemperaturer kan kontakterna fortsätta att bli varmare. Om kontaktdonet förväntas användas vid höga omgivningstemperaturer kan det behövas varningar om brännskada enligt kraven i DIN EN ISO 13732-1:2008-12.
• Ett skyddslock bör placeras på kontakter som inte används.
• Dragbelastningen på kontakterna i en färdig kabel får inte överstiga specifikationens övre gränsvärde.

Sammanfattning

I takt med att utbyggnaden av BESS-system ökar för att säkerställa tillförlitlig kraft och anpassning till förnybara energikällor måste konstruktörerna vara extra uppmärksamma på kraven för batteripolernas kontakter i dessa modulära batterisystem. Med hjälp av anslutningsbara kontakter för batteripoler kan konstruktörer uppfylla viktiga säkerhets- och prestandakrav, samtidigt som de stöder tillförlitlighet, skalbarhet, underhåll, miljö- och kostnadskrav för BESS-installationer i bostäder, kommersiella/industriella byggnader och allmän användning.

Rekommenderad läsning

1. BESS: En lösning för proaktiv energihantering