Batterietemperaturüberwachung in Batteriespeichersystemen: Von den Messpunkten zum Systemschutz

Die Temperaturüberwachung ist eine grundlegende Funktion eines Batteriespeichersystems, aber der Wert der Messung hängt stark davon ab, wo die Temperatur gemessen wird und wie die Daten verwendet werden.

In einem Batteriespeichersystem (BESS) entsteht Wärme nicht allein durch die Batteriezellen. Stromführende Verbindungen, Sammelschienen, Schütze, Sicherungen, Kabel und andere elektrische Bauteile können ebenfalls lokale Wärmequellen sein. Ein an einer Stelle gemessener Temperaturwert liefert daher nur einen Teil der Information.

Bei Batterieracks und Hochspannungssystemen muss die Temperaturüberwachung als Teil der umfassenderen Überwachungs- und Schutzarchitektur betrachtet werden.

Wo sollte die Temperatur gemessen werden?

Es gibt keinen einzelnen Temperaturpunkt, der den Zustand eines gesamten Batteriegestells repräsentieren kann.

Verschiedene Teile des Systems können unterschiedlichen thermischen Bedingungen ausgesetzt sein.

Auf Batterieebene kann sich die Temperaturüberwachung auf Zellen oder Module konzentrieren, da die Batterietemperatur den Lade-, Entlade- und Gesamtbetriebsprozess beeinflusst.

Auf elektrischer Ebene verdienen auch andere Bereiche Beachtung:

• Sammelschienenanschlüsse

• Kabelanschlüsse

• Hochstrom-Anschlusspunkte

• Gleichstromschütze

• Sicherungseinbaupunkte

• Weitere Komponenten im Inneren des Batteriefachs oder des Elektrogehäuses

Diese Bereiche weisen nicht unbedingt das gleiche thermische Verhalten wie die Batteriezellen auf.

Ein Rack kann daher eine normale Durchschnittstemperatur aufweisen, während ein bestimmter Anschlusspunkt deutlich heißer ist als die Umgebung.

Dies ist einer der Gründe, warum die Platzierung des Sensors genauso wichtig ist wie der Sensor selbst.

Ein Hotspot kann wichtiger sein als die Durchschnittstemperatur.

Die thermische Überwachung von Batterien wird manchmal hauptsächlich als Mittel zur Erkennung eines allgemeinen Temperaturanstiegs betrachtet.

Für den Schutz des Systems kann jedoch der Ort des Temperaturanstiegs genauso wichtig sein.

Ein lokaler Anstieg kann mit Folgendem zusammenhängen:

• Erhöhter Kontaktwiderstand

• Eine lose oder beschädigte Verbindung

• Hohe Stromkonzentration

• Schlechte Wärmeableitung

• Anomale Belastung

• Bauteilalterung

Ein an einem geeigneten elektrischen Anschluss installierter Temperatursensor kann daher Informationen liefern, die bei einer allgemeinen Umgebungstemperaturmessung nicht sichtbar wären.

Dies ist insbesondere bei kompakten BESS-Designs relevant, bei denen Hochstromkomponenten eng beieinander installiert sind.

Ziel ist es nicht, überall Sensoren zu platzieren. Vielmehr geht es darum, die Punkte zu identifizieren, an denen Temperaturdaten nützliche Informationen über den Zustand der Batterie und des elektrischen Systems liefern können.

Batterietemperatur und elektrische Temperatur sind unterschiedliche Messgrößen.

Batterietemperatur und Temperatur elektrischer Bauteile sollten nicht automatisch als dasselbe betrachtet werden.

Eine Batteriezelle kann innerhalb ihres erwarteten Temperaturbereichs arbeiten, während es an einem Kabelanschluss oder einer Sammelschienenverbindung zu einer anormalen lokalen Erwärmung kommt.

Auch der umgekehrte Fall kann eintreten. Ein Batteriemodul kann aufgrund seiner Betriebsbedingungen einen Temperaturanstieg erfahren, während die umliegenden elektrischen Anschlüsse im normalen Bereich bleiben.

Diese Unterscheidung ist wichtig, wenn Temperaturdaten für Schutzmaßnahmenentscheidungen herangezogen werden.

Das Überwachungssystem muss wissen, was jede einzelne Messung bedeutet, anstatt alle Temperaturwerte als austauschbar zu behandeln.

Aus diesem Grund sollte bei der Definition der Überwachungsarchitektur der physische Standort jedes Messpunkts berücksichtigt werden.

Von Sensordaten zu BMS-Entscheidungen

Die Temperaturmessung wird umso sinnvoller, je mehr sie mit dem Gebäudeleitsystem und dem übergeordneten Steuerungssystem verbunden ist.

Ein Batteriemanagementsystem (BMS) kann Temperaturinformationen zusammen mit anderen Batterieparametern wie Zellspannung, Packspannung und Lade-/Entladestrom verwenden, um festzustellen, ob die Batterie innerhalb ihrer definierten Grenzen arbeitet.

Die Temperatur kann verschiedene Entscheidungen beeinflussen, darunter:

• Ob das Laden oder Entladen fortgesetzt werden soll

• Ob der Strom begrenzt werden sollte

• Ob ein abnormaler Zustand einen Alarm auslösen sollte

• Ob eine Schutzschwelle erreicht wurde

• Ob die Batterie in einen anderen Betriebszustand wechseln muss

Wichtig ist, dass der Sensor die Schutzentscheidung nicht von selbst trifft.

Der Sensor liefert die Messwerte. Das Gebäudeleitsystem (BMS) interpretiert die Daten gemäß der konfigurierten Schutz- und Steuerungslogik.

Diese Unterscheidung gewinnt zunehmend an Bedeutung, da Batteriesysteme mehr Überwachungspunkte und detailliertere Betriebsinformationen nutzen.

Auch Temperaturdifferenzen können nützliche Informationen liefern

Die absolute Temperatur ist nicht immer der einzig sinnvolle Wert.

Die Differenz zwischen den Messpunkten kann zusätzliche Informationen über den Zustand des Batteriesystems liefern.

Wenn beispielsweise mehrere vergleichbare Batteriesegmente unter ähnlichen Bedingungen arbeiten, an einer Stelle aber ein anhaltender Temperaturunterschied auftritt, sollte diese Abweichung möglicherweise genauer untersucht werden.

Das gleiche Prinzip gilt auch für elektrische Anschlusspunkte.

Ein einzelner Temperaturwert mag für sich genommen akzeptabel erscheinen, doch ein Vergleich mehrerer Messpunkte kann ein anormales Muster aufdecken.

Dadurch wird die Mehrpunkt-Temperaturüberwachung nicht nur für den Schutz, sondern auch für die Zustandsüberwachung und Wartung nützlich.

Die Qualität der Überwachungsarchitektur hängt daher sowohl von der Leistungsfähigkeit der Sensoren als auch von der Art und Weise der Interpretation der gesammelten Daten ab.

Kabelgebundene und drahtlose Temperaturüberwachung

Die Wahl zwischen kabelgebundener und drahtloser Sensorik hängt von der physikalischen Struktur des Systems ab.

Kabelgebundene Sensoren ermöglichen eine unkomplizierte Verbindung zum Überwachungssystem, allerdings kann eine größere Anzahl von Messpunkten den Verkabelungsaufwand erhöhen.

In einem Batterieschrank mit vielen Modulen und mehreren Überwachungsstandorten kann die Kabelführung zu einem wichtigen Aspekt bei der Konstruktion werden.

Die drahtlose Temperaturüberwachung kann den Verkabelungsaufwand zwischen den Messpunkten und dem Datenerfassungssystem reduzieren. Dies ist besonders vorteilhaft bei beengten Platzverhältnissen oder wenn die Messpunkte über eine größere elektrische Anlage verteilt sind.

Drahtlose Sensorik kann auch dann relevant sein, wenn eine Überwachung an Orten wie Stromschienen, Kabelverbindungen oder anderen elektrischen Schnittstellen erforderlich ist, wo das Verlegen zusätzlicher Kabel unpraktisch ist.

Die Wahl sollte weiterhin auf den Gesamtsystemanforderungen basieren, einschließlich Kommunikationsmethode, Installationsumgebung, Messgenauigkeit, Stromversorgung und Wartungsanforderungen.

Temperaturüberwachung jenseits der Batteriezelle

Da die elektrischen Architekturen von Batteriespeichersystemen immer kompakter werden, endet die Temperaturüberwachung nicht unbedingt am Batteriemodul.

Der elektrische Pfad um die Batterie kann auch wichtige thermische Informationen enthalten.

Beispielsweise kann eine Hochstromverbindung aufgrund des Kontaktwiderstands zusätzliche Erwärmung erfahren. Eine Sicherung kann in einem Gehäuse auslösen, in dem die lokale Temperatur erheblich von der Umgebungstemperatur abweicht. Auch ein Schütz kann je nach Dauerstrom und Installationsumgebung eigenen thermischen Bedingungen unterliegen.

Mithilfe dieser Messungen können Ingenieure zwischen einem thermischen Problem im Zusammenhang mit der Batterie und einem Problem im Zusammenhang mit dem elektrischen Pfad unterscheiden.

Aus diesem Grund sollten Temperaturüberwachung und Komponentenauswahl nicht als völlig getrennte Konstruktionsaufgaben betrachtet werden.

Die thermische Umgebung eines Schutz- oder Schaltbauteils kann dessen Betriebsspielraum beeinflussen, während das Bauteil selbst zur lokalen thermischen Umgebung beitragen kann.

Die Sensorplatzierung sollte der elektrischen und thermischen Architektur entsprechen.

Die Platzierung der Sensoren sollte idealerweise zusammen mit dem physischen Aufbau des Batteriespeichersystems (BESS) erfolgen.

Ein sinnvoller Ansatz ist es, Folgendes zu identifizieren:

Wo Wärme entsteht → wo sich Wärme ansammeln kann → wo Temperaturänderungen auf einen anormalen Zustand hinweisen können

Dies kann dazu führen, dass in verschiedenen Teilen des Systems unterschiedliche Prioritäten bei der Datenerfassung festgelegt werden.

Batteriemodule erfordern möglicherweise eine Temperaturüberwachung, um die Betriebsgrenzen der Batterie zu gewährleisten.

Stromschienen und Klemmen müssen möglicherweise überwacht werden, da sie hohe Ströme führen.

Verbindungsstellen sollten besondere Beachtung finden, da lokaler Widerstand zu konzentrierter Wärme führen kann.

Andere Komponenten müssen möglicherweise überwacht werden, wenn ihre Betriebstemperatur in direktem Zusammenhang mit Zuverlässigkeits- oder Schutzanforderungen steht.

Dieser Ansatz ist sinnvoller als einfach nur die Anzahl der Sensoren zu erhöhen.

Mehr Daten bedeuten nicht automatisch eine bessere Überwachung. Die Messpunkte müssen Informationen liefern, die zu konkreten Maßnahmen führen können.

Temperaturüberwachung und BESS-Schutz arbeiten zusammen

Die Temperaturüberwachung ist eine Ebene eines umfassenderen Schutzsystems.

In einem Batteriespeichersystem (BESS) kann der elektrische Schutz Sicherungen, Gleichstromschütze, Isolationsüberwachung, Strommessung und BMS-Schutzfunktionen umfassen.

Die Temperaturüberwachung stellt eine weitere Informationsquelle dar, die zur Identifizierung abnormaler Betriebsbedingungen beitragen kann.

Diese Funktionen haben unterschiedliche Aufgaben.

Ein Temperatursensor erfasst einen physikalischen Zustand.

Das Batteriemanagementsystem (BMS) wertet diesen Zustand zusammen mit anderen Batterieinformationen aus.

Ein Steuerungssystem kann dann die angemessene Reaktion bestimmen.

Eine Sicherung oder ein Schütz kann, abhängig von der Systemarchitektur und dem Fehlerzustand, die physikalische Isolations- oder Unterbrechungsfunktion übernehmen.

Bei der Entwicklung der gesamten Schutzstrategie ist es wichtig, diese Rollen klar zu definieren.

Außerdem wird so ein häufiger Konstruktionsfehler vermieden: die Annahme, dass ein einzelnes Überwachungsgerät oder eine einzelne Schutzkomponente ein Problem auf Systemebene von selbst lösen kann.

Temperaturdaten gewinnen mit der Zeit an Wert.

Eine Temperaturmessung ist im Moment ihrer Durchführung nützlich, aufgezeichnete Temperaturdaten können jedoch einen zusätzlichen Nutzen bieten.

Die kontinuierliche Überwachung kann zeigen, wie sich ein bestimmter Punkt unter verschiedenen Lade- und Entladebedingungen verhält.

Im Laufe der Zeit könnten Ingenieure Folgendes feststellen:

• Wiederholte Temperaturanstiege am selben Ort

• Unterschiede zwischen den Batterieabschnitten

• Änderungen des thermischen Verhaltens unter ähnlichen Lasten

• Anomale Temperaturmuster

• Bedingungen, die vor einem Fehler- oder Wartungsereignis auftreten

Damit geht die Temperaturüberwachung über die einfache Alarmgenerierung hinaus.

Es kann auch Wartungsentscheidungen unterstützen, indem es Ingenieuren hilft, Stellen zu identifizieren, die einer genaueren Überprüfung bedürfen.

Bei größeren oder komplexeren Batteriesystemen können diese historischen Informationen zunehmend nützlich werden, da sich der Betriebszustand des Systems im Laufe seiner Lebensdauer ändert.

Entwurf der Überwachungsschicht neben dem Batteriefach

Die Temperaturüberwachung funktioniert am besten, wenn sie bereits bei der Konstruktion des Batterieträgers berücksichtigt wird und nicht erst nachträglich hinzugefügt wird, nachdem die elektrische Architektur bereits festgelegt ist.

Die Batteriemodule, Stromschienen, Hochstromanschlüsse, Schutzkomponenten, das Kühlsystem und die Messpunkte belegen denselben physischen Raum und stehen in thermischer Wechselwirkung.

Die Überwachungsarchitektur muss daher die tatsächliche Rackstruktur widerspiegeln.

Dies steht im Einklang mit dem übergeordneten Ansatz bei der Konstruktion von Hochvolt-Batteriegestellen: Batterieüberwachung, Wärmemanagement, Schutzmechanismen und elektrische Integration müssen zusammenarbeiten und dürfen nicht als separate Aufgaben behandelt werden.

Für BESS-Entwickler stellt sich in der Praxis nicht nur die Frage nach der Anzahl der benötigten Temperatursensoren. Vielmehr geht es darum, welche Bereiche überwacht werden müssen, welche Informationen jeder Messpunkt liefert und wie diese Informationen vom Gebäudeleitsystem (BMS) oder der Systemsteuerung genutzt werden.

Hier wird die Temperaturmessung Teil des Systemdesigns und ist nicht nur eine weitere Komponente, die im Rack installiert wird.