Jak zajistit bezpečné a efektivní modulární nasazení BESS pomocí zásuvných pólových konektorů baterie

Využití modulárních bateriových systémů skladování energie (BESS) roste v rezidenčních, průmyslových a tzv. utility-scale instalacích. BESS sestávající z několika vzájemně propojených bateriových modulů poskytují záložní napájení v případě výpadku hlavní sítě, regulují špičkovou spotřebu energie v průmyslovém prostředí a podporují integraci obnovitelných zdrojů energie, jako je vítr a slunce, do sítě. Zatímco jejich modulární architektura zjednodušuje instalaci, umožňuje škálovatelnost a podporuje efektivní výměnu opotřebovaných bateriových modulů, musí být konstruktéři obzvláště opatrní při výběru pólových konektorů baterie.

Kromě splnění nejnovějších bezpečnostních a výkonnostních norem a také odolnosti a hospodárnosti musí konstruktéři zohlednit flexibilitu konektoru, co se týče orientace a schopnosti odolat několika cyklům zasunutí/vysunutí při zachování minimálního odporu elektrického kontaktu, aby se zabránilo přehřátí. K zajištění bezpečnosti uživatele by měly být v kontrolním seznamu požadavků uvedeny funkce, jako je ochrana proti přepólování a úplná odolnost proti dotyku.

Tento článek pojednává o problémech spojených s konektivitou modulu BESS. Poté je zde představeno a ukázáno, jak použít řadu zásuvných pólových konektorů baterie od společnosti Phoenix Contact, které jsou určeny pro aplikace BESS.

Požadavky na výkon pólových konektorů baterie

Očekávaná výkonnost u pólových konektorů baterie se mezi obytnými, komerčními a užitkovými aplikacemi liší (tabulka 1). Zatímco bezpečnost je prioritou pro všechny, rezidenční instalace těží z vysoké úrovně flexibility. U komerčních návrhů BESS jsou důležité úvahy o údržbě. Utility-scale instalace BESS kladou menší důraz na flexibilitu, ale jsou celkově nejnáročnější aplikací s očekáváním rychlé instalace (krátká doba práce), vysoké bezpečnosti, nízké poruchovosti, nízkých nákladů a efektivní údržby. Výběr správného řešení konektivity je rozhodující pro splnění různých požadavků na výkon.

Tabulka 1: Různé aplikace mají různé požadavky na výkon konektoru BESS. Správný pólový konektor baterie může splnit požadavky všech tří kategorií aplikací. (Zdroj obrázku: společnost Phoenix Contact)

Běžnou metodou pro připojení bateriových modulů v BESS jsou sestavy kabelových ok (obrázek 1). Konektory-oka jsou relativně levné, ale při používání v instalaci BESS mají několik nevýhod:

• Trpí špatnou standardizací a postrádají flexibilitu aplikací.
• Ruční zapojení a utažení matic na jednotlivých konektorech-okách je časově náročný proces a může být náchylný na chyby zapojení.
• Pokud nejsou matice správně utaženy, může mít spoj vysoký odpor, což má za následek přehřívání.
• Konektory-oka nejsou chráněny před okolním prostředím. Při použití ve venkovních krytech může být spolehlivost konektorů snížena kvůli vystavení prachu nebo nízkotlakým proudům vody, jakož i kondenzaci a rozstřikování vody.
• Konektory-oka nejsou bezpečné pro dotyk a neodpovídají současným bezpečnostním normám, což pro montéry a personál údržby představuje potenciální nebezpečí úrazu elektrickým proudem.

Obrázek 1: Zapojení modulárního BESS se sestavami kabelových ok je časově náročné a náchylné k chybám v zapojení a konektory-oka nejsou ze své podstaty bezpečné pro dotyk. (Zdroj obrázku: společnost Phoenix Contact)

Chtějí-li konstruktéři překonat nevýhody používání konektorů-ok, mohou využít speciálně navržené zásuvné pólové konektory baterie od společnosti Phoenix Contact, které splňují požadavky spotřebitelských, komerčních/průmyslových a utility instalací BESS (obrázek 2).

Obrázek 2: Zásuvné pólové konektory baterie pro BESS překonávají omezení konektorů-ok a splňují výkonnostní požadavky spotřebitelských, průmyslových a utility instalací. (Zdroj obrázku: společnost Phoenix Contact)

Tyto konektory nabízejí dobrou přístupnost a flexibilitu pro připojení k pólu baterie z libovolného směru pro rychlou instalaci s nízkým odporem kontaktu. Zahrnují ochranu proti přepólování a jsou k zajištění bezpečnosti obsluhy zcela odolné proti dotyku. Kryt s krytím IP65 poskytuje ochranu před vnikáním prachu a před nízkotlakými proudy vody ze všech směrů a navíc i ochranu před kondenzací a stříkající vodou.

Konektory mají podle Mezinárodní elektrotechnické komise (IEC) jmenovitou hodnotu přepětí kategorie III a jsou schopné odolat přechodovým napětím v pevných instalacích, jako jsou venkovní skříně, ve kterých jsou BESS umístěny. Podle IEC 60664-1 mají stupeň znečištění 2, díky čemuž jsou vhodné pro použití v prostředích, kde dochází pouze k nevodivému znečištění, kromě toho, že občas může dojít k dočasnému stavu vodivosti způsobenému kondenzací.

Zásuvné pólové konektory baterie společnosti Phoenix Contact jsou barevně označeny a mechanicky klíčovány, aby se zabránilo křížovému zapojení kabelů. Lze je jednoduše zasunout do zásuvky chráněné proti dotyku, kde se zacvaknou a zapadnou na místo (obrázek 3).

Obrázek 3: Tyto zásuvné pólové konektory baterie jsou mechanicky klíčovány a barevně označeny, aby se zabránilo křížovému zapojení kabelů. Když se zasunou do zásuvky chráněné proti dotyku a zapadnou na místo, ozve se „cvaknutí“. (Zdroj obrázku: společnost Phoenix Contact)

Dalším zjednodušením a urychlením instalace je, že lze konektory podle potřeby otáčet až o 360˚. Použití těchto pólových konektorů baterie může ušetřit tři čtvrtiny typické instalační doby potřebné ve srovnání s použitím konektorů-ok. Typická průmyslová nebo komerční bateriová skříň může mít 10 až 12 modulů, zatímco utility-scale instalace BESS v kontejneru má stovky nebo tisíce bateriových modulů. V takových aplikacích představuje doba potřebná k instalaci a úspora nákladů díky použití speciálně navržených pólových konektorů baterie ve srovnání s konektory-oky značný rozdíl.

Tyto zásuvné pólové konektory baterie se vyznačují nízkým odporem kontaktu a podporují vysokou úroveň spolehlivého a bezpečného provozu, včetně pozitivního zajišťovacího mechanismu, který zabraňuje náhodnému rozpojení (obrázek 4). Jsou dimenzovány na 1 500 V_DC, 120 A a pro více než 100 cyklů zasunování/vysunování se silou zasunování ≤75 N a silou vysunování ≥10 N.

Obrázek 4: Tyto zásuvné pólové konektory baterie mají pozitivní zajišťovací mechanismus: Na levé straně (A) je zajišťovací mechanismus / uvolňovací páčka zobrazena v zajištěném stavu. Uprostřed (C) je zobrazen rozpojený pár. Tohoto odpojení je dosaženo zasunutím zajišťovacího mechanismu (vpravo, B) dopředu směrem k rozhraní protikusu. (Zdroj obrázku: společnost Phoenix Contact)

Příklady pólových konektorů baterie

Systém pólových konektorů baterie od společnosti Phoenix Contact se skládá z párů kabelových konektorů a konektorů pro montáž na panel s postříbřenými kontakty s celkovým odporem kontaktu ≤5 mΩ. Konektory jsou dimenzovány podle UL 4128, nejnovějšího standardu UL pro bateriové aplikace. Před tímto standardem byla většina konektorů baterie hodnocena pomocí standardu UL 1977, což je obecnější standard s maximálním jmenovitým napětím 1 000 V_DC. Pólové konektory baterie společnosti Phoenix Contact jsou dimenzovány na 1 500 V_DC a splňují normu UL 4128. Kromě toho, že splňují nejnovější standard UL 4128 (uvedený níže), dodržují tyto pólové konektory baterie požadavky důležitých mezinárodních norem souvisejících s BESS, včetně:

• IEC 61984 – Konektory – Bezpečnostní požadavky a zkoušky
• IEC 62933 – Systémy pro akumulaci elektrické energie (EES)
• IEC 63066 – Nízkonapěťové dokovací konektory pro vyjímatelné jednotky pro akumulaci energie
• UL 9540 – Standard pro systémy a zařízení pro akumulaci energie
• UL 4128 – Přehled zkoumání mezičlánkových a mezivrstvových konektorů pro použití v aplikacích elektrochemických bateriových systémů

Kabelové konektory, jako je např. model 1106307, se dodávají v černé barvě pro záporné póly, zatímco konektor 1106306 pro kladné póly se dodává v oranžové barvě (obrázek 5). Krimpovací zakončení na kabelových konektorech zvládne kabel o velikosti 16 mm² a 25 mm² s délkou odizolování 22 mm. Zásuvný zajišťovací mechanismus zabraňuje náhodnému rozpojení.

Obrázek 5: Polovina kabelového konektoru systému pólového konektoru baterie je nabízena v oranžové barvě pro kladné póly (obrázek výše) a černé barvě pro záporné póly. Obsahuje zásuvný zajišťovací mechanismus (na pravé straně konektoru nahoře), aby se zabránilo náhodnému rozpojení. (Zdroj obrázku: společnost Phoenix Contact)

Kromě splnění technických požadavků instalačních techniků a systémových integrátorů nabízejí pólové konektory baterie pro montáž do panelu projektantům systému BESS v rámci systému flexibilitu při výběru přípojnice nebo upevnění šroubovými sloupky (obrázek 6). Stejně jako kabelové konektory jsou i konektory pro montáž na panel nabízeny v oranžové barvě pro kladné póly (s možností výběru přípojnice, např. 1130816, nebo upevnění šroubovými sloupky, např. 1106303) a černé barvě pro záporné póly (s možností výběru přípojnice, např. 1130814, nebo upevnění šroubovými sloupky, např. 1106304).

Obrázek 6: Polovina pólového konektoru baterie pro montáž na panel je k dispozici s možností připojení systémem přípojnice (vlevo) nebo šroubovým sloupkem (vpravo). (Zdroj obrázku: společnost Phoenix Contact)

Souhrn výkonnostních funkcí a výhod systému pólových konektorů baterie zahrnuje:

• O 75 % rychlejší doba instalace ve srovnání s konektory-oky, nižší náklady na instalaci
• Barevné odlišení k identifikaci polarity:
  • Oranžová (+), kladné póly
  • Černá (−), záporné póly
• Páry černých a oranžových konektorů mají jedinečná rozhraní, aby se zabránilo křížovému zapojení
• Pozitivní zajišťovací mechanismus zabraňuje náhodnému rozpojení
• Kabelové konektory mají krimpovací zakončení pro vodiče o velikosti 16 mm² a 25 mm²
• Systém spojených konektorů lze pro zjednodušení instalace otáčet o 360°
• Určen pro 100 cyklů zasunování/vysunování se silou zasunování ≤75 N a silou vysunování ≥10 N
• Konstrukce plně odolná proti dotyku pro bezpečnost obsluhy
• Kryty s krytím IP65 poskytují ochranu před vlivy prostředí
• Postříbřené kontakty pro odpor kontaktu ≤5 mΩ a spolehlivé připojovací rozhraní
• Dimenzovaný dle IEC na 120 A a 1 500 V_DC
• Rozsah provozních teplot −40 °C až +125 °C

Úvahy o návrhu a aplikaci

K zajištění bezpečného a spolehlivého provozu existuje několik faktorů, které musí vzít konstruktéři a instalatéři v úvahu při používání zásuvných systémů pólových konektorů baterie:

• Nepřipojujte ani neodpojujte konektory pod zátěží.
• Konektor musí být před připojením napětí zcela zasunutý a zajištěný.
• Při normálním provozu bude konektor teplý. V podmínkách prostředí s vysokou teplotou se tyto konektory mohou nadále zahřívat. Pokud se očekává, že konektor bude používán v podmínkách vysoké okolní teploty, může být zapotřebí varování před popálením, jako jsou ta, která vyžaduje norma DIN EN ISO 13732-1:2008-12.
• Na konektory, které se nepoužívají, by měla být umístěna ochranná krytka.
• Tahové zatížení konektorů v kabelové sestavě nemůže překročit horní mez specifikace.

Závěr

Vzhledem k tomu, že se nasazení systémů BESS zrychluje, aby bylo zajištěno spolehlivé napájení a přizpůsobení se obnovitelným zdrojům energie, musí konstruktéři u těchto modulárních bateriových systémů věnovat zvýšenou pozornost požadavkům na pólové konektory baterie. Pomocí zásuvných pólových konektorů baterie mohou konstruktéři splnit základní požadavky na bezpečnost a výkon a zároveň podporovat spolehlivost, škálovatelnost, údržbu, ekologické a nákladové požadavky rezidenčních, komerčních/průmyslových a utility instalací BESS.

Doporučeno k přečtení

1. BESS: řešení proaktivního řízení energie