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BESS-Hilfsstrom- und Steuerschaltungen: Komponentenauswahl jenseits des Haupt-Gleichstrompfads
In einem Batteriespeichersystem (BESS) liegt der Fokus häufig auf dem Haupt-Gleichstrompfad zwischen Batteriepacks, Hochspannungsboxen, Kombinationsboxen und dem Leistungsumwandlungssystem (PCS). Das System ist jedoch auch auf Hilfsschaltungen angewiesen, um Überwachung, Steuerung, Kommunikation und koordinierten Betrieb zu gewährleisten.
Diese Schaltkreise führen zwar nicht die gleiche Leistung wie der Hauptbatteriekreis, ihre Betriebsanforderungen sind jedoch nicht weniger wichtig. Eine instabile Steuerspannung, eine inkompatible Kommunikationsschnittstelle oder ein ungeeignetes Relais können die Reaktion des Gesamtsystems auf Betriebsbefehle und Störungen beeinträchtigen.
Für BESS-Entwickler sollte die Komponentenauswahl daher sowohl den Hauptstrompfad als auch die unterstützenden elektronischen Schaltungen umfassen.
Hilfsschaltungen erfüllen unterschiedliche Funktionen.
Die genaue Schaltungsanordnung variiert je nach Systemarchitektur, aber die Hilfselektronik unterstützt üblicherweise mehrere Funktionen.
Die Steuerstromversorgung versorgt die Elektronik und Schnittstellen, die unabhängig vom Hauptschaltpfad mit Strom versorgt werden müssen. Je nach Ausführung kann dies DC/DC-Wandlung, Spannungsregelung und lokale Stromverteilung umfassen.
Die Überwachung erfasst Informationen wie Spannung, Stromstärke, Temperatur und Gerätestatus. Sensoren, Signalaufbereitungsschaltungen und Kommunikationsschnittstellen stellen diese Informationen dem Batteriemanagementsystem (BMS) oder einem übergeordneten Steuergerät zur Verfügung.
Die Schaltsteuerung koordiniert Geräte wie Schütze und Relais. Der Steuerkreis muss die erforderlichen Ansteuerbedingungen bereitstellen und gegebenenfalls eine Rückmeldung über den Schaltzustand erhalten.
Die Kommunikation verbindet das Gebäudeleitsystem (BMS), das Prozessleitsystem (PCS), die Überwachungsgeräte und die übergeordnete Steuerungseinrichtung. Die benötigte Schnittstelle hängt vom Systemdesign und den von den angeschlossenen Geräten verwendeten Protokollen ab.
Diese Funktionen sollten einzeln bewertet werden. Eine Komponente, die für einen Schaltkreis geeignet ist, erfüllt möglicherweise nicht die Spannungs-, Strom-, Umgebungs- oder Schnittstellenanforderungen eines anderen Schaltkreises.
Beginnen Sie mit dem Hilfsstromversorgungsnetzteil
Der Bedarf an Hilfsenergie sollte definiert werden, bevor die einzelnen Komponenten ausgewählt werden.
Ingenieure müssen die verfügbare Eingangsspannung, die erforderlichen Ausgangsspannungen, die maximale Last, das Anlaufverhalten und die zu erwartenden Betriebsbedingungen ermitteln. Wird ein DC/DC-Wandler verwendet, muss dessen Eingangsspannungsbereich die zu erwartenden Spannungsschwankungen der Quelle abdecken, während sein Ausgang für die angeschlossenen elektronischen Geräte geeignet sein muss.
Mehrere Parameter verdienen Beachtung:
Eingangsspannungsbereich: Bitte prüfen Sie die minimale und maximale Eingangsspannung unter den zu erwartenden Betriebsbedingungen.
Ausgangsspannung und -strom: Berücksichtigen Sie die normale Last sowie etwaige kurzzeitige Lastspitzen beim Anfahren oder Schalten.
Umwandlungseffizienz: Berücksichtigen Sie Leistungsverluste und die daraus resultierende Wärme im Inneren des Gehäuses.
Einschwingverhalten: Prüfen Sie, wie die Stromversorgung auf Änderungen der angeschlossenen Lasten reagiert.
Schutzfunktionen: Ermitteln Sie die Anforderungen an den Schutz vor Überstrom, Überspannung, Unterspannung und Überhitzung.
Isolationsanforderungen: Ermitteln Sie, ob die Schaltungsarchitektur und die geltenden Konstruktionsnormen eine galvanische Trennung erfordern.
Die richtige Wahl hängt von den angeschlossenen Lasten und der Anordnung des Hilfsstromkreises ab. Ein Wandler sollte nicht allein deshalb ausgewählt werden, weil seine Nenneingangs- und Ausgangsspannungen scheinbar übereinstimmen.
Steuerschaltungen benötigen kompatible Schaltkomponenten.
BESS-Steuerschaltungen können je nach auszuführender Funktion Relais, Schütze oder Halbleiterbauelemente verwenden.
Ein Relais für eine Steuerungs- oder Schnittstellenfunktion mit geringer Leistung hat andere Anforderungen als ein Gleichstrom-Schütz, der einen Hochstrom-Batteriekreis schaltet. Sie als austauschbar zu betrachten, kann zu einer falschen Auswahl führen.
Bei einem Relais müssen Ingenieure möglicherweise die Spulenspannung, die Spulenleistung, die Kontaktkonfiguration, die Kontaktbelastbarkeit für die tatsächliche Last, die elektrische Belastbarkeit und die erforderlichen Isolationseigenschaften überprüfen.
Die an das Relais angeschlossene Last ist von besonderer Bedeutung. Das Schalten einer ohmschen Last ist nicht unbedingt gleichzusetzen mit dem Schalten einer kapazitiven, induktiven oder elektronischen Last. Die relevanten Nennwerte und Betriebsbedingungen sollten überprüft werden, anstatt sich auf einen einzelnen Stromwert zu verlassen.
Wenn ein Steuerkreis einen Haupt-Gleichstromschütz ansteuert, sollten bei der Konstruktion auch die Spulenanforderungen des Schützes, die Toleranz der Steuerspannung und alle Hilfsrückmeldekontakte, die zur Bestätigung seines Zustands verwendet werden, berücksichtigt werden.
Der Steuerstromkreis und der Schaltstromkreis haben unterschiedliche Aufgaben. Ihre Bauteile sollten entsprechend ihren jeweiligen elektrischen Anforderungen ausgewählt werden.
Die Überwachungssignale hängen von mehr als nur dem Sensor ab.
Die Überwachungsleistung hängt vom gesamten Signalweg ab, nicht nur vom Sensorelement.
Ein typischer Messpfad kann einen Sensor, eine Signalaufbereitungsschaltung, eine Analog-Digital-Wandlungsstufe und eine Kommunikationsschnittstelle umfassen. Die konkrete Anordnung hängt von der Gebäudeleittechnik- oder Überwachungsarchitektur ab.
Bei der Bewertung der elektronischen Bauteile in diesem Pfad sollten Ingenieure Folgendes berücksichtigen:
Messbereich und erforderliche Genauigkeit
Eingangsimpedanz und Signalkompatibilität
Störanfälligkeit und Filteranforderungen
Trennung zwischen Schaltungsabschnitten, wo erforderlich
Betriebstemperatur und Langzeitstabilität
Anforderungen an Steckverbinder und Verkabelung
Die elektrischen Bedingungen im Inneren eines Batteriegehäuses können anspruchsvoll sein. Schaltvorgänge, Leistungsumwandlung und lange Kabelstrecken können elektrische Störungen verursachen, die Messsignale oder die Kommunikation beeinträchtigen.
Daher sollten neben den Bauteilspezifikationen auch Erdung, Abschirmung, Leitungsführung und Schnittstellendesign berücksichtigt werden.
Ein Sensor mit geeigneten Nennspezifikationen kann dennoch eine geeignete Signalaufbereitung und Installationspraxis erfordern, um im Endsystem zuverlässige Messwerte zu liefern.
Die Kommunikationsschnittstellen müssen zur Systemarchitektur passen.
Die Kommunikation zwischen dem BMS, dem PCS und dem übergeordneten Controller ermöglicht es verschiedenen Teilen eines BESS, Betriebsinformationen auszutauschen.
Die physikalische Schnittstelle, die elektrischen Eigenschaften und das Kommunikationsprotokoll müssen mit den angeschlossenen Geräten kompatibel sein.
Je nach Ausführung kann die Schaltung Transceiver, Trennvorrichtungen, Schutzkomponenten, Steckverbinder und unterstützende Stromversorgungen erfordern.
Der Auswahlprozess sollte Folgendes festlegen:
Welche Geräte müssen miteinander kommunizieren?
Welche physikalische Schnittstelle und welches Protokoll werden benötigt?
Ob eine galvanische Trennung erforderlich ist
Die zu erwartende Kabellänge und Installationsumgebung
Der Pegel elektrischer Störungen und transienter Exposition
Steckertyp und Pinbelegung
Kommunikationskomponenten sollten als Teil der gesamten Schnittstelle bewertet werden. Beispielsweise garantiert die Auswahl eines Transceivers mit der richtigen Protokollunterstützung allein keine zuverlässige Kommunikation, wenn die Verkabelung, die Anschlüsse, die Erdung oder die Isolationsanordnung ungeeignet sind.
Diese Details werden besonders relevant, wenn mehrere Teilsysteme in einem kompakten Gehäuse zusammengeschaltet oder auf mehrere Geräteabschnitte verteilt werden.
Steckverbinder und Verbindungen beeinflussen ebenfalls die Zuverlässigkeit
Hilfsschaltungen enthalten oft viele Niederspannungsanschlüsse für Steuersignale, Messkanäle, Kommunikation und lokale Stromverteilung.
Obwohl diese Verbindungen weniger Strom führen als der Haupt-Gleichstrombus, benötigen sie dennoch entsprechende elektrische und mechanische Spezifikationen.
Wichtige Faktoren sind unter anderem Nennspannung und -strom, Kontaktwiderstand, Drahtgröße, Anforderungen an die Steckzyklen, Vibrationsfestigkeit, Temperaturbereich und Umweltschutz.
Die Installationsumgebung ist entscheidend. Ein Stecker, der in einem geschützten Elektronikfach verwendet wird, kann anderen Bedingungen ausgesetzt sein als ein Stecker, der in der Nähe einer Batteriegehäusewand oder in einem Bereich installiert ist, der Vibrationen, Feuchtigkeit oder Temperaturschwankungen ausgesetzt ist.
Die Pinbelegung und Verdrahtung sollten anhand der Systemdokumentation überprüft werden. Falsche Verbindungen können die Messgenauigkeit, die Kommunikation oder das Steuerungsverhalten beeinträchtigen.
Bei Baugruppen, die regelmäßige Wartung erfordern, können auch die Zugänglichkeit der Steckverbinder und die Möglichkeit, Verbindungen korrekt zu identifizieren, die Effizienz der Wartung beeinflussen.
Thermische Bedingungen und Installationsraum
Die Hilfselektronik wird oft in der Nähe anderer Geräte installiert, darunter Leistungswandler, Schütze, Anschlussklemmen und Hardware zur Batterieüberwachung.
Die resultierende thermische Umgebung kann von den Bedingungen abweichen, die zur Spezifizierung einer einzelnen Komponente verwendet wurden.
DC/DC-Wandler, Relais, Spannungsregler und andere elektronische Geräte erzeugen im Betrieb Wärme. Ihre Temperatur hängt von der elektrischen Last, den Umwandlungsverlusten, der Luftzirkulation, der Gehäusekonstruktion und nahegelegenen Wärmequellen ab.
Vor der endgültigen Festlegung des Designs sollten die Ingenieure den Betriebstemperaturbereich der Komponente sowie alle in der Dokumentation angegebenen Derating-Anforderungen überprüfen.
Verpackung und Einbauraum spielen ebenfalls eine Rolle. Eine Komponente kann zwar die elektrischen Anforderungen erfüllen, sich aber als schwierig zu integrieren erweisen, wenn ihre Abmessungen, Montageanordnung, der Zugang zu den Anschlüssen oder die Anforderungen an die Wärmeableitung mit der Gehäusekonstruktion kollidieren.
Eine frühzeitige Bewertung dieser Einschränkungen kann den Bedarf an Änderungen während der Systemintegration verringern.
Schutz und Versorgungsstabilität in unterstützenden Schaltungen
Zusätzliche Elektronik benötigt einen Schutz, der ihren jeweiligen Betriebsbedingungen angemessen ist.
Die Hauptbatteriesicherung reicht nicht automatisch aus, um jeden Zweig der Hilfsstromversorgung abzusichern. Abhängig von der Schaltungsauslegung, den Leiterquerschnitten und den geltenden Sicherheitsanforderungen benötigen einzelne Zweige möglicherweise einen eigenen Überstromschutz.
Der Schutz sollte auf die zu erwartenden Fehlerzustände und die Belastbarkeit der Komponenten und der Verkabelung abgestimmt sein.
Die Versorgungsstabilität ist ein weiterer wichtiger Faktor. Bei einem Spannungseinbruch oder einer Unterbrechung der Steuerversorgung können die betroffenen Geräte gemäß ihrer Auslegung einen Reset durchführen, die Kommunikation verlieren oder ihren Zustand ändern.
Ingenieure sollten festlegen, welche Funktionen während einer vorübergehenden oder kurzen Versorgungsunterbrechung verfügbar bleiben müssen und ob Maßnahmen wie lokale Energiespeicherung, Eingangsfilterung oder eine andere Versorgungsarchitektur erforderlich sind.
Diese Maßnahmen sollten auf den funktionalen Anforderungen des Systems basieren und nicht ohne definierten Zweck hinzugefügt werden.
Eine praktische Checkliste zur Komponentenauswahl
Bevor die Hilfsschaltungen endgültig festgelegt werden, können die Ingenieure den Entwurf anhand der folgenden Checkliste überprüfen:
Ermitteln Sie die Funktion jedes Hilfsstromkreises und die von ihm versorgten Geräte.
Bitte prüfen Sie die Anforderungen an Eingangsspannung, Ausgangsspannung und Stromstärke.
Anlauflasten, Einschwingverhalten und Versorgungsstabilität prüfen.
Prüfen Sie, ob Relais, Schütze und Treiber mit ihren tatsächlichen Lasten kompatibel sind.
Definieren Sie den Überwachungsbereich, die Genauigkeit und die Anforderungen an die Signalaufbereitung.
Kommunikationsprotokolle, elektrische Schnittstellen und Isolationsanforderungen bestätigen.
Überprüfen Sie die Nennwerte der Steckverbinder, die Verdrahtung, die Pinbelegung und die Installationsbedingungen.
Temperatur, Wärmeableitung, Vibrationen und verfügbaren Platz bewerten.
Prüfen Sie den Schutz der Zweigstellen und die Koordination mit dem Gesamtsystem.
Prüfen Sie, ob die ausgewählten Komponenten die geltenden elektrischen und umwelttechnischen Anforderungen erfüllen.
Ziel ist es nicht, jede Komponente einzeln zu spezifizieren. Vielmehr soll sichergestellt werden, dass die Stromversorgungs-, Steuerungs-, Überwachungs- und Kommunikationsschaltungen unter den vorgesehenen Betriebsbedingungen zusammenarbeiten.
Blick über den Haupt-Gleichstrompfad hinaus
Die Leistungsfähigkeit von Batteriespeichersystemen hängt von der Wechselwirkung zwischen elektrischen Hochleistungsgeräten und der zugehörigen Überwachungs- und Steuerungselektronik ab.
Akkupacks, Hochspannungsboxen, Kombinationsboxen und PCS-Schnittstellen haben jeweils ihren eigenen Strombedarf, während Hilfsschaltungen Funktionen wie Messung, Kommunikation und Schaltsteuerung unterstützen.
Dadurch entsteht eine umfassendere Aufgabe bei der Komponentenauswahl, als nur die wichtigsten Gleichstrom-Schalt- und Schutzgeräte auszuwählen.
Für Systementwickler hilft die frühzeitige Definition der elektrischen Anforderungen jedes Schaltkreises dabei, zu verdeutlichen, welche Komponentenspezifikationen wichtig sind, wo die Kompatibilität überprüft werden muss und welche Details bei der Designprüfung bestätigt werden sollten.
ESHINE unterstützt die Beschaffung elektronischer Bauteile und die technische Auswahl für Energie- und Stromversorgungsanwendungen. Bei Projekten mit Hilfsstromversorgungen, Steuerungs- oder Überwachungsschaltungen für Batteriespeichersysteme (BESS) kann die Angabe der Schaltungsfunktion, der elektrischen Parameter und der Installationsbedingungen die Auswahl geeigneter Bauteile erleichtern.
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