Beispielhafte Fehler in der Verbindungstechnik
Abb. 3: Beispiel eines farblich kodierten Leistungssteckverbinders für Batterieanwendungen (Quelle: Phoenix Contact)
Abb. 4: Detailbild eines Batteriemoduls im stapelbaren Heimspeicher – ein selbstfindender Hybridsteckverbinder auf Ober- und Unterseite beinhaltet die Kontakte für Leistung, Daten und Signale sowie stabile Führungsstifte (Quelle: Phoenix Contact)
Drei Beispiele zeigen auf, wie wichtig Verbindungstechnik ist, beginnend mit der Leistungsverdrahtung. Um Batteriemodule auf Leistungsebene zu verbinden, wird in vielen Fällen eine klassische Schraubverbindung eingesetzt. Schraubverbindungen können sich unter ungünstigen Umständen lösen. Treten beim ersten Anschließen oder in der späteren Wartung Versäumnisse auf, führt dies zu erhöhten Übergangswiderständen. Diese drücken sich im besten Fall durch Wärmeverluste aus, im schlimmsten Fall jedoch durch starke Überhitzung, die sogar zum Brand eines Speichers und damit zu seiner völligen Zerstörung führen kann.
Eine typische Signalverbindung ist der Anschluss eines Stromsensorkabels an eine Leiterplatte. Diese werden oft direkt gelötet, was in Verbindung mit freien Leitungsenden das Risiko sog. kalter Lötstellen birgt.
Die Folge sind falsche Signalinformationen, also z. B. zu geringe gemessene Ströme. Infolge zu hoher Lade- und Entladeströme würde die Batterie deutlich schneller altern.
Datenverbindungen werden oft mittels PatchKabeln hergestellt, also streckbaren Leitungen. Achtet man hier nicht auf Qualität im Sinne von z. B. engen Dimensionstoleranzen und hochwertigen Kontaktoberflächen, kann es zu Fehlern bei der Datenübertragung kommen. Diese führen zu Systemstörungen oder sogar Systemausfällen, im schlechtesten Fall sogar zu Schäden an der Hardware.
Empfehlungen für die Auswahl von Verbindungstechnik
Wie lassen sich die beschriebenen Fehler, die immer zu finanziellen Einbußen für den Betreiber von Energiespeichern führen, ver-meiden? Bei Leistungsverbindungen sollten überall, wo keine definierten Installationsbedingungen sichergestellt werden können, Steckverbindungen eingesetzt werden. Dies gilt also maßgeblich für Leistungsverbindungen, die bei der Installation hergestellt werden müssen. Ein Beispiel für ein farblich und mechanisch kodiertes Stecksystem ist in Abb. 3 dargestellt.
Bei Anschlüssen von freien Leitungsenden auf Leiterplatten bieten sich innovative Anschlusstechniken anstelle des Lötens an. Schneidklemmverbindungen z. B. erfordern keine Vorbehandlung des Leiterendes und bieten – ebenso wie Federanschlusstechniken – hohen Komfort und maximale Zuverlässigkeit.
Bei Datenanschlüssen definieren die Umgebungsbedingungen die Anforderungen. So bieten sich bei hohen Verschmutzungsgraden oder feuchter Umgebung IP-geschützte Datenstecker an, bei rauen mechanischen Anforderungen Datenverbindungen in Industriequalität.
Speziell für das Segment des stapelbaren Heimspeichers wurden sog. selbstfindende Hybrid-Steckverbinder entwickelt. Eine solche kompakte Schnittstelle ist in Abb. 4 dargestellt. In ihr sind alle notwendigen Steckkontakte für Leistung, Signale und Daten vereint. Stabile Führungsstäbe sorgen dafür, dass sich Stecker und Gegenstecker selbstjustierend verbinden und dass kein Schaden beim Stapeln der Module entsteht.
Fazit
Auch für Energiespeichersysteme gilt: Wer bei der Anfangsinvestition spart, zahlt im laufenden Betrieb drauf. Dazu kommt, dass diese Geräte und Anlagen häufig in systemrelevanten Anwendungen betrieben werden. Zuverlässigkeit ist somit eine wichtige Eigenschaft, um die Vision einer All Electric Society gelingen zu lassen. Die elektrischen Verbindungen spielen dabei eine entscheidende Rolle. Ihnen sollte eine hohe Aufmerksamkeit gewidmet werden.
Verlustrechnung für Energiespeicher-Anschlüsse
Wieviel Energie geht an den Leistungssteckverbindern eines Batteriemoduls während dessen Lebensdauer verloren? Eine Beispielrechnung zeigt dies für ein typisches Batteriemodul im Heimspeicher mit 2,5 kWh Kapazität, 48 V Modulspannung und 25 A mittlerem Strom sowie 5.000 Vollzyklen. Mit diesen Annahmen entsteht an den beiden Leistungspolen des Batteriemoduls im Normalfall eine Verlustenergie über die Lebensdauer von ca. 50 kWh. Bei erhöhtem Übergangswiderstand infolge sich lösender Schrauben kann eine Verlustenergie von bis zu 1.500 kWh entstehen, ohne dass man diesen Fehler leicht entdecken würde. Bei einem Haushaltsstrompreis von 0,4 €/kWh entspricht dies einem finanziellen Verlust von 600 € über die Lebensdauer des Speichers. Bedenkt man, dass ein typischer Heimsspeicher oft aus mindestens zwei bis vier solcher Batteriemodule besteht, wird die Größenordnung der energetischen und damit auch finanziellen Verluste deutlich.
Energie für die All Electric Society
Das Zukunftsbild der All Electric Society beschreibt eine Welt, in der regenerativ erzeugte elektrische Energie als primäre Energieform weltweit in ausreichendem Maße und vollständig wirtschaftlich zur Verfügung steht. Grundlage dafür ist die umfassende Elektrifizierung, Vernetzung und Automatisierung aller Sektoren von Wirtschaft und Infrastruktur. Phoenix Contact stellt Komponenten und Lösungskonzepte für die Sektorenkopplung bereit und bietet Produkte und Lösungen für die effiziente Gewinnung, Wandlung, Speicherung und den Transport von regenerativer Energie.