Utilizarea sistemelor modulare de stocare a energiei în baterii (BESS – Battery Energy Storage Systems) este în creștere în instalațiile rezidențiale, industriale și la scară utilitară. Compuse din mai multe module de baterii interconectate, sistemele BESS furnizează energie de rezervă în cazul în care rețeaua principală nu funcționează, reglează consumul de energie de vârf în mediile industriale și facilitează integrarea în rețea a surselor de energie regenerabilă, cum ar fi energia eoliană și solară. În timp ce arhitectura lor modulară simplifică instalarea, permite scalabilitatea și sprijină înlocuirea eficientă a modulelor de baterii uzate, proiectanții trebuie să fie deosebit de atenți la alegerea conectorilor pentru bornele bateriilor.
Pe lângă respectarea celor mai recente standarde de siguranță și de performanță, alături de robustețea și rentabilitatea conectorilor, proiectanții trebuie să ia în considerare flexibilitatea acestora în ceea ce privește orientarea și capacitatea de a rezista la mai multe cicluri de inserție/retragere, menținând în același timp o rezistență minimă la contactul electric pentru a preveni supraîncălzirea. De asemenea, pentru a garanta siguranța utilizatorului, caracteristici precum protecția împotriva inversării polarității și imunitatea totală la atingere ar trebui să se regăsească pe lista de verificare a cerințelor.
Acest articol abordează aspectele asociate conectivității modulelor BESS. Apoi, prezintă și demonstrează modul de aplicare a unei linii de conectori de poli de baterie de la Phoenix Contact, proiectați pentru aplicații BESS.
Cerințe de performanță specifice conectorilor pentru poli de baterie
Așteptările de performanță ale conectorilor pentru poli de baterie variază în funcție de aplicațiile rezidențiale, comerciale și de utilități (tabelul 1). În timp ce siguranța este o prioritate pentru toate, instalațiile rezidențiale beneficiază de niveluri ridicate de flexibilitate. Considerentele legate de întreținere sunt importante în proiectele BESS comerciale. Instalațiile BESS la scară utilitară pun un accent mai mic pe flexibilitate, dar reprezintă cea mai exigentă aplicație în general, așteptându-se o instalare rapidă (timp de muncă redus), un nivel ridicat de siguranță, rate scăzute de defecțiune, costuri reduse și o întreținere eficientă. Selectarea soluției de conectivitate potrivite este esențială pentru a satisface cerințele variate de performanță.
Tabelul 1: Diferitele aplicații au cerințe variate în ceea ce privește performanța conectorilor BESS. Conectorul corect pentru poli de baterie poate satisface cerințele tuturor celor trei categorii de aplicații. (Sursa imaginii: Phoenix Contact)
Ansamblurile de cablare bazate pe papuci de cablu reprezintă o metodă obișnuită de conectare a modulelor de baterii într-un BESS (figura 1). Papucii de cablu sunt relativ ieftini, dar au mai multe dezavantaje atunci când sunt utilizați într-o instalație BESS:
- Au un grad scăzut de standardizare și nu oferă flexibilitate în ceea ce privește aplicațiile
- Conectarea și strângerea manuală a piulițelor de pe fiecare papuc este un proces care necesită mult timp și poate fi predispus la erori de cablare.
- În cazul în care piulițele nu sunt strânse corespunzător, conexiunea poate avea o rezistență ridicată, ceea ce duce la supraîncălzire
- Papucii de cablu nu sunt protejați de mediul înconjurător; atunci când sunt utilizați în incinte exterioare, fiabilitatea acestora poate fi redusă de expunerea la praf sau la jeturi de apă de joasă presiune, precum și la condens și stropi de apă
- Papucii de cablu nu oferă protecție la atingere și nu respectă standardele de siguranță actuale, ceea ce reprezintă un potențial pericol de șoc pentru instalatori și personalul de întreținere.
Figura 1: Cablarea unui BESS modular cu ajutorul ansamblurilor de papuci de cablu necesită mult timp și este predispusă la erori de cablare, iar conectorii cu papuci nu sunt în mod inerent siguri la atingere. (Imagine: Phoenix Contact)
Pentru a depăși dezavantajele utilizării papucilor de cablu, proiectanții pot apela la conectorii pentru poli de baterie special proiectați de Phoenix Contact, care îndeplinesc cerințele instalațiilor BESS pentru aplicații de consum, comerciale/industriale și de utilități (figura 2).
Figura 2: Conectorii de poli de baterie pentru BESS depășesc limitările conectorilor tip papuc și îndeplinesc cerințele de performanță ale instalațiilor pentru aplicații de consum, industriale și de utilități. (Sursa imaginii: Phoenix Contact)
Acești conectori oferă o bună accesibilitate și flexibilitatea de a se conecta la baterie din orice direcție pentru o instalare rapidă, cu o rezistență de contact redusă. Aceștia includ protecție la inversarea polarității și oferă protecție totală la atingere pentru siguranța operatorului. O carcasă cu grad de protecție IP65 asigură protecție împotriva pătrunderii prafului și împotriva jeturilor de apă de joasă presiune din orice direcție, plus protecție împotriva condensului și a stropilor de apă.
Conectorii dispun de certificare pentru supratensiune, conform IEC (Comisia Electrotehnică Internațională), categoria III și sunt capabili să reziste la tensiuni tranzitorii în instalații fixe, cum ar fi dulapurile exterioare care găzduiesc sistemele BESS. Aceștia corespund unui grad 2 de poluare conform IEC 60664-1, ceea ce îi face potriviți pentru utilizarea în medii în care se produce doar poluare neconductivă, cu excepția cazului în care, ocazional, poate apărea o stare de conductivitate temporară cauzată de condens.
Figura 3: Acești conectori de poli de baterie sunt codificați mecanic și pe culori pentru a preveni cablarea încrucișată. Se aude un “clic” atunci când sunt conectați în priza protejată prin atingere și se blochează în poziție. (Sursa imaginii: Phoenix Contact)
Conectorii de poli de baterie de la Phoenix Contact sunt codificați pe culori și sunt prevăzuți cu cheie mecanică pentru a preveni cablarea încrucișată, fiind pur și simplu conectați în priza cu protecție tactilă, unde se fixează printr-un clic și se blochează în poziție (figura 3).
Simplificând și accelerând și mai mult instalarea, conectorii pot fi rotiți până la 360˚, după cum este necesar. Utilizarea acestor conectori poate economisi trei sferturi din timpul de instalare tipic necesar, în comparație cu utilizarea papucilor de cablu. Un rack de baterii industrial sau comercial obișnuit poate avea 10 până la 12 module, în timp ce o instalație BESS la scară utilitară într-un container are sute sau mii de module de baterii. În astfel de aplicații, timpul de instalare și economiile de costuri rezultate din utilizarea conectorilor de poli de baterie special creați în comparație cu conectorii tradiționali, tip papuc, sunt substanțiale.
Conectorii pentru poli de baterie cu fișe de conectare prezintă o rezistență de contact scăzută și susțin niveluri ridicate de funcționare fiabilă și sigură, inclusiv mecanisme sigure de blocare pentru a preveni deconectările accidentale (figura 4). Aceștia au o tensiune nominală de 1500 volți DC (VDC), 120 de amperi (A) și peste 100 de cicluri de inserție/retragere cu o forță de inserție ≤ 75 de newtoni (N) și o forță de retragere de ≥10 N.
Figura 4: Conectorii de poli de baterie cu fișe de conectare au un mecanism sigur de blocare: în stânga (A), levierul de blocare/eliberare este prezentat în stare blocată; în mijloc (C), perechea este deconectată; această deconectare se realizează prin glisarea mecanismului de blocare (dreapta, B) înainte spre interfața de împerechere. (Sursa imaginii: Phoenix Contact)
Exemple de conectori de poli de baterie
Sistemul de conectori de poli de baterie de la Phoenix Contact constă în perechi de conectori pe cablu și conectori pentru montare pe panou cu contacte argintate, având o rezistență totală de contact de ≤5 miliohmi (mΩ). Conectorii sunt clasificați în conformitate cu UL 4128, cel mai recent standard UL pentru aplicații cu baterii. Înainte de acest standard, majoritatea conectorilor pentru baterii erau clasificați folosind standardul UL 1977, care este un standard mai generalizat, cu o tensiune nominală maximă de 1000 VDC. Conectorii de poli de baterie Phoenix Contact sunt prevăzuți să suporte 1500 VDC și corespund standardului UL 4128. Pe lângă conformitatea cu cel mai recent standard UL 4128 (prezentat mai jos), acești conectori de poli de baterie îndeplinesc cerințele unor standarde internaționale importante legate de BESS, inclusiv:
- IEC 61984 – Conectori – Cerințe și teste de siguranță
- IEC 62933 – Sisteme de stocare a energiei electrice (EES)
- IEC 63066 – Conectori de andocare de joasă tensiune pentru unități detașabile de stocare a energiei
- UL 9540 – Standard pentru sisteme și echipamente de stocare a energiei
- UL 4128 – Schiță de investigație pentru conectori de tip ‘Intercell’ și ‘Intertier’ pentru utilizare în aplicații cu sisteme de baterii electrochimice
Figura 5: Jumătatea de conector de cablu a sistemului de conectare pentru polii bateriei este oferită în portocaliu pentru polii pozitivi și negru pentru polii negativi. Acesta include un mecanism de blocare glisant (în partea dreaptă a conectorului de mai sus) pentru a preveni deconectările accidentale. (Sursa imaginii: Phoenix Contact)
Conectorii pe cablu, cum ar fi 1106307, sunt de culoare neagră pentru polii negativi, în timp ce conectorul 1106306 este de culoare portocalie pentru polii pozitivi (figura 5). Terminațiile de sertizare ale conectorilor pe cablu suportă dimensiuni ale cablurilor de 16 milimetri pătrați (mm²) și 25 mm², cu o lungime de dezizolare de 22 mm. Un mecanism de blocare glisantă previne deconectările accidentale.
Pe lângă îndeplinirea cerințelor tehnice impuse de instalatori și integratori de sisteme, conectorii de poli de baterie cu montare pe panou oferă proiectanților de sisteme BESS flexibilitatea de a alege o fixare în cadrul sistemului prin bară colectoare sau prin șurub (Figura 6). La fel ca și conectorii pe cablu, conectorii montați pe panou sunt oferiți în varianta portocalie pentru polii pozitivi (cu opțiuni de fixare prin bară colectoare, cum ar fi 1130816, sau prin șurub, cum ar fi 1106303) și în varianta neagră pentru polii negativi (cu opțiuni de fixare prin bară colectoare, de exemplu 1130814, sau prin șurub, cum ar fi 1106304).
Figura 6: Partea de conectare a polilor bateriei cu montare pe panou este disponibilă cu opțiuni de conectare a sistemului prin bară colectoare (stânga) sau prin șurub (dreapta). (Sursa imaginii: Phoenix Contact)
Un rezumat al caracteristicilor de performanță și al beneficiilor sistemului de conectare a polilor de baterie include:
- Timp de instalare cu 75% mai rapid în comparație cu conectorii cu papuci și, implicit, reducerea costurilor de instalare
- Coduri de culoare pentru identificarea polarității:
- Portocaliu (+) pozitiv
- Negru (-) negativ
- Perechile de conectori negri și portocalii au interfețe unice pentru a preveni încrucișările
- Mecanismul de blocare previne deconectările accidentale
- Conectorii de cablu au terminații pentru cabluri sertizate de 16 mm² și 25 mm²
- Sistemul de conectori cuplați poate fi rotit la 360° pentru a simplifica instalarea
- 100 de cicluri de inserție/retragere cu o forță de inserție ≤75 N și o forță de retragere de ≥10 N
- Protecție integrală la atingere pentru siguranța operatorului
- Carcasele cu grad de protecție IP65 asigură protecția mediului
- Contacte placate cu argint pentru o rezistență de contact ≤5 mΩ și o interfață de conectare fiabilă
- Clasificare IEC pentru 120 A și 1500 VDC
- Interval de temperatură de operare de la -40°C la +125°C
Considerații privind proiectarea și aplicațiile
Pentru a asigura o exploatare sigură și fiabilă, există mai mulți factori de care proiectanții și instalatorii trebuie să țină cont atunci când utilizează sisteme de conectori de poli de baterie cu fișe conectabile:
- Nu conectați sau deconectați conectorii sub sarcină.
- Conectorul trebuie să fie complet conectat și blocat înainte de a fi alimentat.
- În condiții normale de funcționare, conectorul va fi cald. În condiții de temperatură ambiantă ridicată, acești conectori pot continua să se încălzească. În cazul în care se preconizează utilizarea conectorului în condiții de temperatură ambiantă ridicată, ar putea fi necesare avertismente împotriva arsurilor, cum ar fi cele prevăzute de DIN EN ISO 13732-1:2008-12.
- Pe conectorii care nu sunt utilizați ar trebui să se plaseze un capac de protecție.
- Forța de tracțiune asupra conectorilor dintr-un ansamblu de cabluri nu poate depăși limita superioară a specificației.
Concluzie
Pe măsură ce implementarea sistemelor BESS se accelerează pentru a asigura o alimentare fiabilă și pentru a se adapta la sursele de energie regenerabilă, proiectanții trebuie să acorde o atenție sporită cerințelor privind conectorii de poli de baterie pentru aceste sisteme modulare de baterii. Utilizând conectori de poli de baterie cu fișe de conectare, proiectanții pot îndeplini cerințele esențiale de siguranță și performanță, susținând în același timp cerințele de fiabilitate, scalabilitate, întreținere, mediu și costuri ale instalațiilor BESS rezidențiale, comerciale/industriale și de utilități.
Lectură recomandată
Autor: Rolf Horn – Inginer de aplicații Rolf Horn, face parte din grupul European de Asistență Tehnică din 2014, având responsabilitatea principală de a răspunde la întrebările venite din partea clienților finali din EMEA referitoare la Dezvoltare și Inginerie, precum și la scrierea și corectarea articolelor și postărilor de pe platformele TechForum și https://maker.io ale firmei Digi-Key pentru cititorii din Germania. Înainte de Digi-Key, el a lucrat la mai mulți producători din zona semiconductorilor, cu accent pe sistemele embedded ce conțin FPGA-uri, microcontrolere și procesoare pentru aplicații industriale și auto. Rolf este licențiat în inginerie electrică și electronică la Universitatea de Științe Aplicate din Munchen, Bavaria. Și-a început cariera profesională la un distribuitor local de produse electronice în calitate de Arhitect pentru Soluții de Sistem pentru a-și împărtăși expertiza și cunoștințele în calitate de consilier de încredere. Hobby-uri: petrecerea timpului cu familia + prietenii, călătoriile (cu rulota familiei VW-California) și motociclismul (pe un BMW GS din 1988).
Digi-Key Electronics | https://www.digikey.ro
