Zapewnienie bezpiecznych i efektywnych wdrożeń modułowych bateryjnych systemów magazynowania energii (BESS) z użyciem wtykowych złączy biegunowych do baterii

W instalacjach mieszkaniowych i przemysłowych coraz częściej stosuje się modułowe bateryjne systemy magazynowania energii (BESS). Składające się z wielu połączonych ze sobą modułów bateryjnych systemy BESS zapewniają zasilanie awaryjne w przypadku usterek sieci głównej, regulują szczytowe zużycie energii w warunkach przemysłowych i wspierają integrację sieci odnawialnych źródeł energii, takich jak wiatr i słońce. Chociaż ich modułowa architektura upraszcza instalację, umożliwia skalowalność i wspiera wydajną wymianę zużytych modułów bateryjnych, projektanci muszą być szczególnie ostrożni przy doborze złączy biegunowych do baterii.

Oprócz spełniania najnowszych standardów bezpieczeństwa i parametrów działania, a także odporności i opłacalności, projektanci muszą uwzględnić elastyczność ustawiania złącza oraz zdolność do wytrzymywania wielu cykli wkładania/wyjmowania, przy jednoczesnym zachowaniu minimalnej rezystancji styku elektrycznego, aby zapobiec przegrzaniu. Ponadto, aby zapewnić bezpieczeństwo użytkownika, na liście wymagań powinny znaleźć się takie punkty, jak zabezpieczenie przed zamianą biegunów i pełna ochrona przed dotykiem.

W niniejszym artykule opisano problematykę połączeń modułów BESS. Następnie przedstawiono i pokazano sposób stosowania wtykowych złączy biegunowych do baterii firmy Phoenix Contact, które są przeznaczone do stosowania w systemach BESS.

Wymagania eksploatacyjne dotyczące złączy biegunowych do baterii

Oczekiwana wydajność złączy biegunowych do baterii różni się w zastosowaniach mieszkaniowych, komercyjnych i przemysłowych (tabela 1). Podczas gdy bezpieczeństwo zawsze jest priorytetem, instalacje mieszkaniowe wymagają wysokiego poziomu elastyczności. W komercyjnych projektach z systemami BESS ważne są zagadnienia dotyczące konserwacji. Instalacje BESS na skalę przemysłową kładą mniejszy nacisk na elastyczność, ale są najbardziej wymagające, gdyż oczekuje się w nich szybkiej instalacji (krótki czas robót), wysokiego bezpieczeństwa, niskiego wskaźnika awaryjności, niskich kosztów i sprawnej konserwacji. Wybór odpowiedniego rozwiązania połączeń ma kluczowe znaczenie dla spełnienia różnych wymagań dotyczących parametrów działania.

Tabela 1: różne zastosowania mają różne wymagania dotyczące parametrów złączy w bateryjnych systemach magazynowania energii (BESS). Właściwe złącze biegunowe do baterii może spełnić wymagania wszystkich trzech kategorii zastosowań. (Źródło ilustracji: Phoenix Contact)

Popularną metodę łączenia modułów bateryjnych w systemach BESS stanowią zespoły kablowe z końcówkami oczkowymi (ilustracja 1). Złącza oczkowe są stosunkowo niedrogie, ale mają kilka wad, gdy są stosowane w instalacjach BESS:

• Ich mankamentem jest słaba standaryzacja i brak elastyczności stosowania
• Ręczne podłączanie i dokręcanie nakrętek na każdym złączu oczkowym jest procesem czasochłonnym i stwarza ryzyko błędów podłączeniowych
• Jeśli nakrętki nie zostaną odpowiednio dokręcone, połączenie może mieć dużą rezystancję, skutkując przegrzaniem
• Złącza oczkowe nie są chronione przed czynnikami środowiskowymi. W przypadku zastosowania w obudowach użytkowanych na zewnątrz, niezawodność złączy oczkowych może być zmniejszona przez kontakt z kurzem lub strumieniem wody o niskim ciśnieniu, a także skroplinami czy rozpyloną wodą
• Złącza oczkowe nie są bezpieczne w dotyku i nie spełniają obowiązujących norm bezpieczeństwa, co stwarza potencjalne niebezpieczeństwo porażenia instalatorów i personelu konserwacyjnego

Ilustracja 1: instalacja zespołów kablowych z końcówkami oczkowymi w modułowym systemie BESS jest czasochłonna i stwarza ryzyko błędów podłączeniowych, a złącza oczkowe nie są z natury bezpieczne w dotyku. (Ilustracja: Phoenix Contact)

Aby wyeliminować wady złączy oczkowych, projektanci mogą skorzystać ze specjalnie zaprojektowanych wtykowych złączy biegunowych do baterii firmy Phoenix Contact, które spełniają wymagania instalacji systemów BESS w zastosowaniach konsumenckich, handlowych/przemysłowych i komunalnych (ilustracja 2).

Ilustracja 2: wtykowe złącza biegunowe do baterii przeznaczone do systemów BESS eliminują ograniczenia złączy oczkowych i spełniają wymagania dotyczące parametrów działania w instalacjach konsumenckich, przemysłowych i komunalnych. (Źródło ilustracji: Phoenix Contact)

Omawiane złącza zapewniają dobry dostęp i elastyczność łączenia z biegunami baterii z dowolnego kierunku w celu szybkiej instalacji, przy niskiej rezystancji zestykowej. Posiadają zabezpieczenie przed zamianą biegunów i są w pełni bezpieczne w dotyku, co zapewnia bezpieczeństwo operatorów. Obudowa o stopniu ochrony IP65 zapewnia ochronę przed wnikaniem kurzu i strumieni wody pod niskim ciśnieniem z dowolnego kierunku, a także ochronę przed skroplinami i rozpryskami wody.

Opisywane złącza mają kategorię przepięciową III wg Międzynarodowej Komisji Elektrotechnicznej (IEC) i są w stanie wytrzymać stany nieustalone napięcia w instalacjach stałych, takich jak szafki zewnętrzne, w których znajdują się bateryjne systemy magazynowania energii (BESS). Posiadają stopień 2 ochrony przed zanieczyszczeniami wg normy IEC 60664-1, dzięki czemu nadają się do użytku w środowiskach, gdzie występują tylko zanieczyszczenia nieprzewodzące, z wyjątkiem sytuacji, w których czasami może wystąpić chwilowy stan przewodności spowodowany skraplaniem pary wodnej.

Wtykowe złącza biegunowe do baterii firmy Phoenix Contact są oznaczone kolorami i posiadają zabezpieczenia mechanicznie zapobiegające nieprawidłowemu podłączeniu przewodów - można je po prostu podłączać do gniazd bezpiecznych w dotyku, w których zatrzaskują się i blokują (ilustracja 3).

Ilustracja 3: wtykowe złącza biegunowe do baterii posiadają zabezpieczenia mechaniczne oraz oznaczenia kolorystyczne, zapobiegające błędnemu podłączeniu przewodów. Po podłączeniu do bezpiecznego przy dotyku gniazda i zablokowaniu na miejscu słychać „kliknięcie”. (Źródło ilustracji: Phoenix Contact)

Złącza można w razie potrzeby obracać o 360˚, co jeszcze bardziej upraszcza i przyspiesza instalację. Zastosowanie omawianych złączy biegunowych do baterii pozwala zaoszczędzić trzy czwarte typowego czasu instalacji w porównaniu z użyciem złączy oczkowych. Typowy przemysłowy lub komercyjny stelaż na baterie może mieścić od 10 do 12 modułów, podczas gdy komunalny bateryjny system magazynowania energii (BESS) w kontenerze zawiera setki lub tysiące modułów bateryjnych. Użycie specjalnie zaprojektowanych złączy biegunowych do baterii w takich zastosowaniach pozwala uzyskać znaczne oszczędności czasu instalacji i kosztów w porównaniu ze złączami oczkowymi.

Omawiane wtykowe złącza biegunowe do baterii charakteryzują się niską rezystancją zestykową i zapewniają wysoki poziom niezawodnej i bezpiecznej pracy. Zawierają również mechanizmy blokujące, które zapobiegają przypadkowemu rozłączeniu (ilustracja 4). Charakteryzują się napięciem znamionowym 1500V₌ i prądem znamionowym 120A, a liczba cykli wprowadzania/wyjmowania z siłą wprowadzania ≤75N i siłą wyjmowania ≥10N wynosi 100.

Ilustracja 4: wtykowe złącza biegunowe do baterii posiadają aktywny mechanizm blokujący. Po lewej stronie (A) ukazano mechanizm blokujący i dźwignię zwalniającą w stanie zablokowanym. Po środku (C) ukazano rozłączoną parę. Rozłączenie jest realizowane przez przesunięcie mechanizmu blokującego (po prawej, B) do przodu, w kierunku współpracujących powierzchni. (Źródło ilustracji: Phoenix Contact)

Przykładowe złącza biegunowe do baterii

System złączy biegunowych do baterii firmy Phoenix Contact składa się z par złączy kablowych i złączy do montażu tablicowego z posrebrzanymi stykami o łącznej rezystancji zestykowej ≤5mΩ. Złącza mają parametry znamionowe zgodnie z normą UL 4128, czyli najnowszą normą UL dla zastosowań bateryjnych. Przed wprowadzeniem tej normy większość złączy bateryjnych była projektowana zgodnie z normą UL 1977, która jest bardziej uogólnioną normą dotyczącą maksymalnych napięć znamionowych 1000V₌. Złącza biegunowe do baterii firmy Phoenix Contact mają napięcie znamionowe 1500V₌ i spełniają wymagania normy UL 4128. Oprócz zgodności z najnowszą normą UL 4128 (wymienioną poniżej), omawiane złącza biegunowe do baterii spełniają wymagania ważnych międzynarodowych norm dotyczących bateryjnych systemów magazynowania energii (BESS), w tym:

• IEC 61984 - Złącza - wymagania dotyczące bezpieczeństwa i badań
• IEC 62933 - Systemy magazynowania energii elektrycznej (EES)
• IEC 63066 - Niskonapięciowe złącza dokujące do wymiennych jednostek magazynowania energii
• UL 9540 - Norma dotycząca systemów i urządzeń magazynowania energii
• UL 4128 - Zarys badań złączy międzyogniwowych i międzywarstwowych do użytku w zastosowaniach z elektrochemicznymi systemami bateryjnymi

Złącza kablowe, takie jak 1106307 mają kolor czarny dla biegunów ujemnych, natomiast złącza 1106306 mają kolor pomarańczowy dla biegunów dodatnich (ilustracja 5). Zakończenie zagniatane na złączach kablowych może być używane w przypadku kabli o przekrojach 16mm² i 25mm², o długości odsłoniętego przewodu 22mm. Przesuwny mechanizm blokujący zapobiega przypadkowemu rozłączeniu.

Ilustracja 5: strona kablowa systemu złączy biegunowych do baterii ma kolor pomarańczowy dla biegunów dodatnich (na grafice powyżej) i czarny dla biegunów ujemnych. Zawiera ona przesuwny mechanizm blokujący (po prawej stronie złącza powyżej), który zapobiega przypadkowemu rozłączeniu. (Źródło ilustracji: Phoenix Contact)

Oprócz spełnienia wymagań technicznych instalatorów i integratorów systemów, złącza biegunowe do baterii przeznaczone do montażu tablicowego oferują projektantom systemów BESS elastyczność w doborze mocowania systemu z użyciem szyny lub bolca gwintowanego (ilustracja 6). Podobnie jak złącza kablowe, złącza do montażu tablicowego są oferowane w kolorze pomarańczowym dla biegunów dodatnich (z szyną, np. 1130816 lub bolcem gwintowanym, np. 1106303) i czarnym dla biegunów ujemnych (np. z szyną 1130814 lub bolcem gwintowanym, np. 1106304).

Ilustracja 6: część złącza biegunowego do baterii przeznaczona do montażu tablicowego jest dostępna z opcjami połączenia w postaci szyny (po lewej) lub bolca gwintowanego (po prawej). (Źródło ilustracji: Phoenix Contact)

Podsumowanie charakterystyk, parametrów działania i zalet systemu złączy biegunowych do baterii:

• O 75% krótszy czas instalacji w porównaniu ze złączami oczkowymi, niższe koszty instalacji
• Oznaczenia kolorystyczne ułatwiające identyfikację biegunów:
  • Pomarańczowy (+) dodatni
  • Czarny (-) ujemny
• Czarne i pomarańczowe pary złączy mają inne współpracujące powierzchnie, zapobiegające błędom podłączenia
• Aktywny mechanizm blokujący zapobiega przypadkowemu rozłączeniu
• Złącza kablowe posiadają zakończenia zagniatane w przypadku przewodów o przekrojach 16mm² i 25mm²
• Połączony system złączy można obracać o 360°, co upraszcza instalację
• Znamionowa liczba cykli wprowadzania/wyjmowania z siłą wprowadzania ≤75N i siłą wyjmowania ≥10N wynosi 100
• Bezpieczna w dotyku konstrukcja zapewniająca bezpieczeństwo operatora
• Obudowy o stopniu ochrony IP65 zapewniają zabezpieczenie przed wpływem środowiska
• Posrebrzane styki zapewniają rezystancję zestykową ≤5mΩ i niezawodność współpracujących powierzchni połączenia
• Natężenie i napięcie znamionowe wg normy IEC odpowiednio 120A i 1500V₌
• Zakres temperatur roboczych od -40°C do +125°C

Zagadnienia dotyczące projektowania i zastosowań

Aby zapewnić bezpieczne i niezawodne działanie, projektanci i instalatorzy muszą wziąć pod uwagę kilka czynników podczas korzystania z wtykowych systemów złączy biegunowych do baterii:

• Nie podłączać ani nie odłączać złączy pod obciążeniem.
• Złącze musi być całkowicie podłączone i zablokowane przed włączeniem zasilania.
• Podczas normalnej pracy złącze jest ciepłe. W warunkach otoczenia o wysokiej temperaturze złącza te mogą się nagrzewać. Jeśli przewiduje się, że złącze będzie używane w warunkach wysokiej temperatury otoczenia, mogą być potrzebne ostrzeżenia o ryzyku poparzenia, takie jak te wymagane przez normę DIN EN ISO 13732-1:2008-12.
• Na złącza, które nie są używane, należy założyć kołpak ochronny.
• Obciążenia rozciągające złączy w zespole kablowym nie mogą przekraczać górnej wartości granicznej podanej w specyfikacji.

Podsumowanie

Ponieważ wdrażanie bateryjnych systemów magazynowania energii (BESS) przyspiesza, zapewnienie niezawodności zasilania i przystosowania do odnawialnych źródeł energii wymaga od projektantów zwracania szczególnej uwagi na wymagania dotyczące złączy biegunowych do baterii w modułowych systemach bateryjnych. Korzystając z wtykowych złączy biegunowych do baterii projektanci mogą spełnić podstawowe wymagania dotyczące bezpieczeństwa i parametrów działania, jednocześnie spełniając wymagania dotyczące niezawodności, skalowalności, konserwacji, ochrony środowiska i kosztów dla instalacji BESS w zastosowaniach mieszkaniowych, komercyjnych i komunalnych.

Rekomendowane artykuły

1. Bateryjny system magazynowania energii (BESS): rozwiązanie do proaktywnego zarządzania energią