Schwerpunkte

Energiespeichersysteme

Zuverlässige Verbindungstechnik auf allen Ebenen

26. April 2021, 08:00 Uhr   |  Dr. Rüdiger Meyer, Phoenix Contact

Zuverlässige Verbindungstechnik auf allen Ebenen
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Auf dem Weg in die All Electric Society spielen Energiespeichersysteme für erneuerbare Energien eine wichtige Rolle, um deren Volatilität auszugleichen. Wie zuverlässig solche Speichersysteme arbeiten, das hängt nicht zuletzt von der verwendeten elektrischen Verbindungstechnik auf allen Ebenen ab.

Elektrische Energiespeicher auf Basis galvanischer Batterien sind im Allgemeinen modular aufgebaut (Bild 1). Dieses Prinzip lässt sich mit Anpassungen und geringen Einschränkungen auf Großspeicher im Bereich vieler Megawattstunden ebenso anwenden wie auf kleine Heimspeichersysteme im 10-kWh-Segment.

Das Grundelement ist die Batteriezelle, von denen einige parallel und seriell zu Packs verschaltet werden, um Strom und Spannung zu erhöhen (Bild 2). An dieser Stelle sind bereits die ersten elektrischen Verbindungen zu finden. Dabei wird zumeist auf Schweißtechniken – also auf dauerhafte Verbindungen – zurückgegriffen. Wird eine größere Anzahl von Zellen in ein Gehäuse integriert, spricht man allgemein von einem Speichermodul.

 Typisches Energiespeichersystems – vom Speichermodul im Rack bis zum Gesamtsystem mit seinen externen Schnittstellen
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Bild 1: Typisches Energiespeichersystem – vom Speichermodul im Rack bis zum Gesamtsystem mit seinen externen Schnittstellen.

Das Batteriemodul

Das Speichermodul wird von einer Elektronik überwacht und gesteuert, dem sogenannten Modul-BMS (Battery Management System). Die Elektronik steuert den Lade- und Entladevorgang der Batteriezellen und überwacht diese dabei. Hierzu misst das BMS die Ströme und Spannungen an den einzelnen Zellgruppen und stellt diese so ein, dass alle Zellen möglichst gleichmäßig geladen bzw. entladen werden. Man spricht hierbei von Balancing. Dafür muss das BMS die einzelnen parallel geschalteten Zellgruppen jeweils separat ansteuern können. Neben den zwei Anschlüssen – positiv und negativ – für den Lade-/Entladestrom weist das Modul-BMS demnach noch eine Vielzahl von Verbindungen zu den einzelnen Zellgruppen auf (vgl. Bild 2).

Einblick in ein Speichermodul mit Batterie-Packs, BMS-Platine und internen wie externen Schnittstellen
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Bild 2: Einblick in ein Speichermodul mit Batterie-Packs, BMS-Platine und internen wie externen Schnittstellen.

Eine Logik verarbeitet sämtliche Informationen über den Zustand des Batteriemoduls – wie etwa den Ladezustand – und stellt sie in Form von digitalen Daten zur Verfügung. Somit benötigt jedes Modul-BMS auch eine Datenschnittstelle. Daten- und Leistungsanschlüsse werden von den Platinen des BMS zum Modulgehäuse geführt. Für die Leistungsanschlüsse kommen häufig Schraubanschlüsse zum Einsatz, die Datenschnittstelle ist meist steckbar ausgeführt.

Batteriemodule im Rack koppeln

Ein einzelnes Batteriemodul weist typischerweise eine Spannung im Bereich zwischen 24 V und 96 V auf. Die Systemspannung liegt jedoch häufig auf einem deutlich höheren Niveau. Hierfür werden mehrere Batteriemodule in Serie verschaltet und baulich meist in entsprechende Racks integriert (vgl. Bild 1). Zwischen den oben erwähnten Schraubanschlüssen werden dafür flexible Leitungen mit Ringkabelschuhen eingesetzt, die der Installateur anbringen muss. Außerdem sind die einzelnen Module auch datentechnisch miteinander gekoppelt, sodass von jedem Modul mindestens eine Datenleitung zum nächsten Modul geführt wird.

Auch jedes Rack besitzt eine Steuerung – das sogenannte Rack-BMS. Dieses ist als weiteres Einschubmodul gestaltet und wird über Leistungsanschlüsse mit seinen zugeordneten Batteriemodulen verbunden. Über eine weitere Leistungsschnittstelle lassen sich die Racks wiederum an das übergeordnete System anbinden. Für den Datenverkehr weist das Rack-BMS mehrere Datenschnittstellen auf. Darüber hinaus besitzt das Rack-BMS üblicherweise mehrere Eingänge für die Sensorik. Von den äußeren Schnittstellen am Gehäuse des Rack-BMS laufen die Verbindungen intern erneut auf verschiedene Leiterplatten, wo sie angeschraubt, angelötet, eingesteckt oder auf andere Weise elektrisch verbunden werden.

Recyclingfähigkeit der Energiespeicher
Die Hersteller von Energiespeichersystemen sind zunehmend bestrebt, die Recyclingfähigkeit ihrer Systeme zu erhöhen. Schon beim Design des Systems eine geeignete Verbindungstechnik zu wählen kann dazu beitragen, ein Energiespeichersystem länger nutzen und einfacher wiederverwerten zu können. Auch hier sei nur beispielhaft auf eine der vielen elektrischen Schnittstellen eingegangen, und zwar die Verbindung der einzelnen Batteriezellen. Würde man statt des heute üblichen Schweißens eine Einpresstechnik verwenden, hätte das den Vorteil, dass sich defekte Zellen einfacher austauschen lassen. Beim Zerlegen und Weiterverwerten ausgedienter Speichermodule lassen sich die Zellen ebenfalls einfach entnehmen, prüfen und gegebenenfalls in alternativen Anwendungen wiederverwerten.

 

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