Funksensoren Große Batterieanlagen überwachen

Geht es um eine gesicherte Stromversorgung, Stromspeicher für regenerative Energien sowie Netzstützung, führt kein Weg an großen Batterieanlagen vorbei. Um diese dauerhaft sicher und mit maximaler Verfügbarkeit zu betreiben, müssen sie aktiv gemanagt werden, z.B. mithilfe von Funksensoren.

Neben dem Einsatz als Speicher in USV-Anlagen gewinnt der Einsatz von großen Batterieanlagen auch in Verbindung mit regenerativen Energien an Bedeutung. Groß heißt in diesem Zusammenhang Leistungen ab 500 kW und Batterien bis zu mehreren Megawattstunden Speicherkapazität. Bei der Batteriehardware handelt es sich in der Regel um einzelne Blei-Säure-Zellen, die für die benötigte Spannung in Reihe geschaltet sind und in entsprechend ausgerüsteten Batterieräumen oder Containern installiert werden.

Betreibt man eine große Batterie, ist es sinnvoll, möglichst viele Betriebsparameter sehr exakt zu bestimmen und auszuwerten, denn deren Lebensdauer hängt sehr stark von den Betriebsbedingungen ab. Zudem interessieren Informationen wie Ausnutzung und Ladezustand (State of Charge, SoC). Aufkommende Fehler lassen sich so frühzeitig erkennen sowie Serviceintervalle genauer planen.

Seit 2012 betreibt AEG Power Solutions (AEG PS) auf ihrem Werksgelände ein eigenes solargespeistes Micro-Grid und setzt daher ebenfalls eine solche Großbatterie ein. Nach der Installation fiel den Verantwortlichen auf, dass alle auf dem Markt verfügbaren Monitoring-Lösungen den eigenen hohen Anforderungen nicht gerecht wurden. Die meisten Monitoring-Lösungen setzen pro Zelle auf ein Sensormodul, das direkt auf der Zelle befestigt wird. Die einzelnen Module werden dann über eine Kommunikationsleitung von Zelle zu Zelle verbunden. Damit besteht das Risiko einer Spannungsverschiebung. Gleichzeitig ist keine sichere Potenzialtrennung gewährleistet, und durch Kriechwege auf den Batterieoberflächen – nach längerem Einsatz und Verschmutzung – steigt das Risiko für Messfehler. Im Übrigen erfolgt die Temperaturmessung außen am Zellengehäuse, sodass sich die mittlere Temperatur im Zellinneren dadurch nur relativ ungenau ermitteln lässt. Die notwendigen Leitungen zwischen den Batterien und zu den Sensoren bergen ein hohes Fehler- und Betriebsrisiko, und für die Installation der vielen, vielen Kabel ist stets geschultes Fachpersonal erforderlich.

Potenzialtrennung per Funk

Bei der Überlegung, wie eine neue Lösung aussehen könnte, kam unter anderem der Gedanke an eine LWL-Übertragung auf, wie sie auch von etablierten Anbietern von Batterieüberwachungssystemen angeboten wird. Zwar ermöglicht sie eine sichere Potenzialtrennung, aber neben der aufwendigen Installation und der mechanischen Empfindlichkeit liegt ein weiteres Risiko in der zugehörigen Ringverkabelung. Bereits eine zweifache Unterbrechung des Rings kann ein dazwischenliegendes Ringsegment komplett vom Überwachungssystem trennen. Daher sollte eine sternförmige Peer-to-Peer-Kommunikation implementiert werden, die sich recht schnell und einfach installieren und warten lässt.

Mit einer solchen Verkabelung wäre bei 300 Zellen eine Sternverbindung jedoch kaum realisierbar. Bei der Installation sind zudem bestimmte Biegeradien einzuhalten. Überdies ist eine LWL-Verbindung empfindlich gegenüber mechanischen Beanspruchungen. Insbesondere dürfen die Leitungen nicht geknickt werden. Staub- und Säureeintrag können die optische Signalübertragung an den Steckverbindungen beeinträchtigen. Außerdem sind in solchen Konstellationen Installation und Tests enorm zeitaufwendig. Um wirklich aussagekräftige Informationen über alle Betriebsparameter einer Batterie – gegebenenfalls sogar aus der Ferne – zu gewinnen, entschied man sich für eine Funkübertragung.

Auf Basis dieser Anforderungen entwickelten die Ingenieure von AEG PS einen Funksensor namens »Moni-Store«. Er ist mit einem säurefesten Kunststoff umspritzt und besitzt an seiner Unterseite einen einfachen Steckkontakt, der in seinen wesentlichen Eigenschaften einem typischen 3,5-mm-Laborstecker entspricht. Dieser wird am Minuspol in das bei vielen Polschrauben vorhandene Loch gesteckt. Seitwärts kommt aus dem Sensor ein kurzes Kabelstück heraus, das ebenfalls über einen Bananenstecker verfügt, der am Pluspol eingesteckt wird (siehe Bild oben). Und in diesem Moment beginnt bereits die Sendefunktion. Die Stromversorgung erfolgt direkt aus der Zelle, wobei die Leistungsaufnahme bei maximal 150 mW liegt. Damit ist der Installationsaufwand recht gering und die Fehlerwahrscheinlichkeit geht gegen null, sogar Kabel-Stolperfallen verschwinden.