Ein elektrischer Energiespeicher auf Basis galvanischer Batterien ist im Allgemeinen modular aufgebaut. Dieses Prinzip lässt sich mit Anpassungen und geringen Einschränkungen auf Großspeicher im Multi-MWh-Bereich ebenso anwenden wie auf kleine Heimspeichersysteme im 10 kWh-Segment. Das Grundelement ist die Batteriezelle, von denen zur Strom- und Spannungserhöhung einige parallel und seriell zu Packs verschaltet werden. An dieser Stelle sind bereits die ersten elektrischen Verbindungen zu finden. Dabei wird zumeist auf Schweißtechniken – also auf dauerhafte Verbindungen – zurückgegriffen.
Das Batteriemodul
Wird eine größere Anzahl von Zellen in ein Gehäuse integriert, spricht man vom Speichermodul. Dieses wird von einer Elektronik überwacht und gesteuert, dem sogenannten Modul-BMS – die Abkürzung steht für Battery Management System. Die Elektronik steuert den Lade- und Entladevorgang der Batteriezellen und überwacht diese dabei. Hierzu werden Ströme und Spannungen an den einzelnen Zellgruppen gemessen und so eingestellt, dass alle Zellen möglichst gleichmäßig geladen beziehungsweise entladen werden. Man spricht hierbei von Balancing. Für das Balancing müssen die einzelnen parallel geschalteten Zellgruppen jeweils separat angesteuert werden 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.
Sämtliche Informationen über den Zustand des Batteriemoduls – wie etwa der Ladezustand - werden von einer Logik verarbeitet und in Form von digitalen Daten zur Verfügung gestellt. Somit benötigt jedes Modul-BMS auch eine Datenschnittstelle. Daten- und Leistungsanschlüsse werden von den Platinen des BMS zum Modulgehäuse geführt. Für die Leistungsanschlüsse werden dort häufig Schraubanschlüsse eingesetzt, während die Datenschnittstelle meist steckbar ausgeführt ist.
Zusammenschaltung von Batteriemodulen
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.
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, so dass von jedem Modul mindestens eine Datenleitung zum nächsten Modul geführt wird. Auch jedes Rack besitzt eine Steuerung – das sogenannte Rack-BMS. Das Rack-BMS ist als weiteres Einschub-Modul gestaltet und wird über Leistungsanschlüsse mit seinen zugeordneten Batteriemodulen verbunden. Eine weitere Leistungsschnittstelle dient der Anbindung des Racks an das übergeordnete System. 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.
Das Energiespeichersystem
Je nach Größenordnung werden mehrere Speicher-Racks zu einem übergeordneten System zusammengefasst. Auch dieses hat eine eigene Steuerung, um die Lade- und Entladevorgänge zu kontrollieren und um mit der externen Welt zu kommunizieren. Darüber hinaus sind auf Systemebene Klimatisierungsvorrichtungen sowie Brandsensorik und -bekämpfung eingebunden. Meist handelt es sich dabei um Container, in denen geeignete Schaltschränke die verschiedenen Aufgaben erledigen.
Auch in diesem Zusammenhang spielt eine Vielzahl unterschiedlicher elektrischer Verbindungen eine entscheidende Rolle im Zusammenspiel der Komponenten des Systems sowie bei der externen Anbindung des Speichers. Häufig entsteht der Eindruck, dass nur die Leistungsflüsse betrachtet werden müssen – aber dem ist nicht so. Erst die digitale Anbindung des Speichersystems an das Netz, an die speisende Solar- oder Windkraftanlage, an den dynamischen Großverbraucher mit Rückspeise-Option - macht die effiziente Nutzung eines Energiespeichersystems möglich.
Fehlermöglichkeiten bei Verbindungstechnik
Die Anzahl möglicher Fehler in der Verbindungstechnik ist durchaus überschaubar. Die Fehlerwahrscheinlichkeit hängt maßgeblich von der Qualität der eingesetzten Komponenten und des Designs, von der Eignung der Technologie für die Anwendung sowie von der Qualifikation der Anwender ab. Eine Grundvoraussetzung zur Vermeidung von Störungen in komplexen elektronischen Systemen ist ein entsprechendes Geräte-Design. Dies beginnt bei der Dimensionierung der Verbindungstechnik hinsichtlich Stromstärke und Spannungsfestigkeit und setzt sich mit der Beachtung der Umweltanforderungen und der Schutzgrade fort. So ist es naheliegend, dass es zu Korrosionseffekten in elektrischen Verbindungen kommen kann, wenn diese regelmäßig oder dauerhaft Feuchtigkeit ausgesetzt sind. IP-geschützte Steckverbinder – von IP X5 bis IP X9 – schaffen hier Abhilfe.
Der Einsatz von Ringkabelschuhen mit Gewindebolzen und Mutter führt nicht selten zu Fehlern bei Leistungsverbindungen. Infolge von Vibrationen oder schlicht weil die Schrauben nicht vorschriftsgemäß angezogen oder gewartet wurden, kommt es zu erhöhten Übergangswiderständen. Dies führt im schlimmsten Fall zum Brand und somit zu einer völligen Zerstörung des Systems.
Der Ausfall oder gar die Zerstörung eines Energiespeichersystems infolge eines Fehlers stellen den schlimmsten Fall dar. Sowohl der Besitzer als auch der verantwortliche Hersteller, Installateur oder Bediener nehmen hierdurch unübersehbar Schaden. Aber auch nicht optimierte Designs oder Systemzustände können versteckte Kosten verursachen, die man in vielen Fällen leicht vermeiden kann.
Als Beispiel seien hier die externen Leistungsverbinder eines Batteriemoduls angeführt. Bereits eine korrekt ausgelegte und vorschriftsgerecht installierte Verbindung führt hier pro Modul zu Verlusten von mehr als 1000 kWh über die gesamte Lebensdauer. Diese steigen linear mit dem Übergangswiderstand an. Unerkannte schlechte Verbindungen können schnell zu Verlusten von mehreren Megawattstunden oder einigen hundert Euro pro Modul führen. Auf Systemebene ergeben sich daraus infolge der großen Anzahl an Modulen durchaus finanzielle Einbußen in einer Größenordnung von 100.000 Euro. Die Anfangsinvestition in einen hochwertigeren Steckverbinder rechnet sich hier schnell.
Auch die Aufwände bei der Herstellung des Speichersystems sollten betrachtet werden. So kann es aus Gründen der Automatisierbarkeit attraktiv sein, die Lötverbindung eines Sensoranschlusses auf der Platine des Modul-BMS durch eine einfach zu bedienende Federklemme zu ersetzen. Bei der Montage der Batterie-Packs können die Sensoren im automatisierten Prozess gesetzt werden, und die beiden Sensorleitungen werden bei der Montage des Moduls manuell und werkzeuglos gesteckt. Wegen der besseren Zugänglichkeit ist ein deutlicher Zeit- und damit Kostenvorteil zu erwarten.
Fazit
Auslegung, Qualität und korrekte Verwendung der Verbindungstechnik in Energiespeichersystemen sind entscheidend für deren Kosten, Zuverlässigkeit und Effizienz. Ein zunächst preiswert erscheinender Kompromiss führt allzu häufig zu hohen laufenden Kosten und Systemausfällen. Es lohnt sich daher in jedem Fall, bei der Auslegung der Verbindungstechnik auf allen Ebenen eines Energiespeichersystems auf kompetente Hersteller zu setzen und deren Expertise zu vertrauen. Phoenix Contact stellt mit seinem umfassenden Angebot alle für Energiespeicher erforderlichen Steckverbinder bereit. Denn nur mit zuverlässigen Komponenten kann die Vision der All Electric Society Wirklichkeit werden.
