Elektrische Verbindungstechnik in Batteriesystemen
Bild 3. Das Schreddern von Batteriemodulen oder – je nach Konstruktion – auch ganzen Batteriepacks stellt den heutigen Stand der Technik beim Recyclen von Batterien dar. (Quelle: Duesenfeld GmbH, Foto: Wolfram Schroll)
Bild 4. Elektrische Verbindungstechnik in Batteriesystemen – lösbare elektrische Anschlüsse für Daten, Signale und Leistung erlauben das einfache Zerlegen. (Quelle: Phoenix Contact)
Bereits heute wird eine Vielzahl von elektrischen Verbindungen zum Herstellen von Batteriesystemen verwendet. Bild 4 zeigt beispielhaft, wie ein Batteriemodul in das Gesamtsystem eingebunden ist. Über Batteriepolstecker werden bei hohen Spannungen bis 1 500 V die Lade- und Entladeströme geleitet. Datenleitungen verbinden die Batteriemodule untereinander und mit der übergeordneten Steuerung. Über sie werden die Steuersignale für den Lade- und Entladevorgang übermittelt und Informationen zum Batteriezustand ausgetauscht. Die analogen Steuersignale zum Beispiel für Lüftungssysteme werden mittels Signalleitungen übertragen – angebunden oft in Form von Rundsteckverbindern.
Die beschriebenen elektrischen Schnittstellen sind vielfach standardisiert und lassen sich auch in automatisierten Montage- und Demontageprozessen handhaben. Auf Zellebene existieren derzeit nur wenig kommerzielle Lösungen für lösbare elektrische Verbindungen. Bei prismatischen Zellen trifft man gelegentlich die klassische Schraubverbindung an. Dominierend ist jedoch das Schweißen.
Bei Phoenix Contact wird an der Entwicklung innovativer Lösungen für die Verbindungstechnik gearbeitet, um auch Batteriezellen einfach und automatisch demontieren zu können. Die Herausforderungen dabei sind vielfältig. Im normalen Betrieb der Batterie muss die Verbindung widrigen Umgebungsbedingungen standhalten, vor allem mechanischen Spannungen, Vibrationen und Stößen. Der elektrische Übergangswiderstand, der zu Effizienzverlusten der Batterie führen kann, muss äußerst gering sein und darf sich während des Betriebs der Batterien nicht wesentlich erhöhen. Letztlich spielen auch die Kosten der Verbindungstechnik eine wichtige Rolle, die mit denen des Schweißverfahrens konkurrieren müssen.
Fazit
Auch Batterien unterliegen den wachsenden Anforderungen einer ökonomischen stofflichen Kreislaufwirtschaft. Das verlustarme Betreiben, die Möglichkeit des Reparierens und Umwidmens sowie ein wirtschaftliches Recycling lassen sich durch geeignete elektrische Verbindungstechnik vereinfachen oder sogar erst ermöglichen. Bei Phoenix Contact arbeitet man kontinuierlich an verbesserten Lösungen, um den ökologischen Fußabdruck von Batteriesystemen zu minimieren.
Effizienzverluste durch Übergangswiderstände
Bereits ein geringer Anstieg des Übergangswiderstands an den Leistungsanschlüssen von Batterien kann zu erheblichen Verlustenergien über die Lebensdauer führen. Eine Kalkulation für ein typisches 10 kWh Batteriemodul mit 48 V Nennspannung, 50 A mittlerem Lade-/Entladestrom und 5000 Vollzyklen zeigt: Bereits der unvermeidbare geringe Übergangswiderstand führt zu Verlusten in der Größenordnung von 100 kWh über die Lebensdauer. Erhöht sich dieser Übergangswiderstand leicht auf zum Beispiel 30 mV, würden sich die Verluste unbemerkt bereits auf über 3 000 kWh kumulieren – dem mittleren elektrischen Energieverbrauch einer dreiköpfigen Familie in Mitteleuropa. Größere Batteriesysteme bestehen aus hunderten solcher Module, was die Größenordnung der Verluste verdeutlicht.
Dr. Rüdiger Meyer, Applikationsexperte Energiespeichersysteme, Business Area Device Connectors, Phoenix Contact GmbH & Co. KG, Blomberg, rmeyer@phoenixcontact.com, phoenixcontact.com