BESS-DC-Bus-Design: Steuerung des Energieflusses zwischen Batteriesystemen und PCS

In einem Batteriespeichersystem fließt die Energie nicht einfach vom Akku direkt in den PCS.

Ein größeres Batteriespeichersystem (BESS) kann mehrere Batteriezweige oder Batterieracks umfassen, die in einer gemeinsamen elektrischen Architektur betrieben werden. Diese Zweige müssen so miteinander verbunden sein, dass Lade- und Entladeleistung zwischen dem Batteriesystem und dem Stromversorgungssystem (PCS) fließen kann, während gleichzeitig eine kontrollierte Stromverteilung und klare elektrische Grenzen gewährleistet sind.

Hier kommt der Gleichstrombus ins Spiel.

Der Gleichstromzwischenkreis dient als gemeinsamer elektrischer Pfad zur Bündelung der Energie aus mehreren Batteriezweigen und deren Übertragung zum PCS. Während des Ladevorgangs fließt die Energie über denselben Pfad in umgekehrter Richtung, vom PCS zum Batteriesystem.

Mit steigender BESS-Leistung dient der DC-Bus nicht mehr nur als Verbindung zwischen zwei Geräten. Seine elektrische Anordnung kann die Stromverteilung, den Spannungsabfall, das Fehlerverhalten, die Isolation und die Interaktion verschiedener Batteriezweige mit dem PCS beeinflussen.

Wo der DC-Bus in ein BESS passt

Ein vereinfachter BESS-Strompfad kann wie folgt dargestellt werden:

Batteriesysteme → Gleichstromanschlüsse → Gleichstromzwischenkreis → PCS → Wechselstromsystem

Auf der Ladeseite ist die Richtung umgekehrt:

Wechselstromsystem → PCS → Gleichstrombus → Batteriesysteme

Die tatsächliche Architektur variiert je nach Systemkapazität, Batteriekonfiguration, PCS-Topologie und Integrationsansatz.

Ein Batteriespeichersystem (BESS) kann einen zentralen Gleichstrombus, mehrere Busabschnitte, separate Batteriezweige oder eine modularere Anordnung nutzen. Das Ziel ist jedoch immer dasselbe: eine kontrollierte elektrische Schnittstelle zwischen der Batterieseite und dem Stromversorgungssystem (PCS) bereitzustellen.

Der DC-Bus befindet sich somit zwischen den einzelnen Batteriestromkreisen und der gemeinsamen Umwandlungsstufe.

Diese Position verleiht ihm mehrere Funktionen:

• Zusammenführung des Stroms aus mehreren Batteriezweigen
• Verteilung des Ladestroms auf die einzelnen Batteriezweige
• Bereitstellung definierter Anschlusspunkte für Batteriesysteme
• Einrichtung elektrischer Isolationszonen
• Unterstützung des Systemschutzes
• Verbindung des batterieseitigen Strompfads mit dem PCS

Die Konstruktion gewinnt mit zunehmender Anzahl paralleler Batteriezweige an Bedeutung.

Warum mehrere Batteriezweige das Design verändern

Ein einzelner Batteriezweig verfügt über einen relativ einfachen Strompfad.

Wenn mehrere Zweige parallel geschaltet sind, muss der Gleichstromzwischenkreis den Gesamtstrom bewältigen und für jeden Zweig einen geeigneten elektrischen Pfad bereitstellen.

Wenn beispielsweise vier Batteriezweige unter bestimmten Betriebsbedingungen jeweils 250 A liefern, muss der gemeinsame Abschnitt des Gleichstromzwischenkreises etwa 1.000 A aufnehmen können.

Der tatsächliche Strom hängt vom Betriebszustand des Batteriesystems, der Regelungsstrategie, der Zweigimpedanz und anderen Systembedingungen ab. Das Beispiel verdeutlicht jedoch einen wichtigen Punkt:

Die aktuelle Nennleistung eines gemeinsamen Busabschnitts kann nicht einfach aus der Nennleistung eines Batteriezweigs ermittelt werden.

In verschiedenen Abschnitten des Busses können auch unterschiedliche Ströme fließen.

Eine Abzweigverbindung kann nur den Strom eines einzigen Batteriesystems führen, während der Hauptbusabschnitt, der näher am PCS liegt, den kombinierten Strom mehrerer Abzweige führen kann.

Dadurch entstehen an verschiedenen Stellen innerhalb desselben Gleichstrombusses unterschiedliche elektrische Anforderungen.

Stromverteilung über den Gleichstrombus

Die Stromverteilung ist einer der zentralen Aspekte bei der Auslegung von Gleichstrombussen für Batteriespeichersysteme.

Idealerweise sollten parallel geschaltete Batteriezweige den Strom auf kontrollierte und vorhersehbare Weise aufteilen.

In der Praxis kann die aktuelle Aufteilung durch Folgendes beeinflusst werden:

• Kabel- oder Sammelschienenwiderstand
• Verbindungswiderstand
• Astlänge
• Kontaktwiderstand
• Batteriespannungsunterschiede
• Betriebstemperatur
• SOC-Unterschiede
• Elektrische Impedanz
• Kontrollverhalten

Wenn ein Zweig eine niedrigere elektrische Impedanz als ein anderer aufweist, kann er einen größeren Anteil des Stroms führen.

Dies kann zu einer ungleichmäßigen thermischen Belastung führen und dazu, dass einige Zweige näher an ihren Leistungsgrenzen arbeiten, während andere Zweige weniger stark belastet werden.

Bei der Auslegung des Gleichstromzwischenkreises muss daher mehr als nur der Gesamtstrom berücksichtigt werden.

Die physikalische Anordnung der Abzweigverbindungen, die Leiterlängen und die Anschlusspunkte können ebenfalls Einfluss darauf haben, wie der Strom verteilt wird.

Bussegmentierung und Anschlusspunkte

Bei immer größeren BESS-Systemen ist ein einzelner, unterbrechungsfreier Gleichstrombus nicht immer die praktischste Lösung.

Durch die Segmentierung des Busses lassen sich klar definierte elektrische Abschnitte innerhalb des Systems bereitstellen.

Je nach Architektur kann ein segmentierter Bus es Ingenieuren ermöglichen, Folgendes zu trennen:

• Batterie-Zweiggruppen
• PCS-Anschlussabschnitte
• Wartungsbereiche
• Schutzzonen
• Isolationspunkte

Dies kann die Verwaltung der elektrischen Architektur vereinfachen, wenn das System mehrere Batteriezweige enthält.

Wenn beispielsweise ein bestimmter Batteriezweig für Wartungsarbeiten isoliert werden muss, sollte die elektrische Auslegung es ermöglichen, diesen Zweig zu trennen, ohne andere Teile des Batteriespeichersystems unnötig zu unterbrechen.

Die genaue Anordnung hängt von der Systemarchitektur und den Betriebsanforderungen ab, aber klar definierte Verbindungs- und Isolationspunkte sind wichtig bei der Entwicklung eines skalierbaren Gleichstrompfads.

Spannungsabfallmanagement entlang des DC-Busses

Der Spannungsabfall gewinnt mit zunehmender Stromstärke und Leiterlänge immer mehr an Bedeutung.

Eine vereinfachte Beziehung ist:

Vdrop = I × R

wobei I die durch den Leiter fließende Stromstärke und R sein elektrischer Widerstand ist.

In einem Batteriespeichersystem wird der Widerstand durch das Leitermaterial, den Querschnitt, die Länge, die Anschlusspunkte und die Temperatur beeinflusst.

Ein Hochstrom-Gleichstrombus muss daher ein angemessenes Gleichgewicht zwischen elektrischer Leistung, physikalischen Abmessungen, thermischem Verhalten und Installationsanforderungen gewährleisten.

Der Spannungsabfall betrifft nicht nur den Hauptbus.

Verbindungen zwischen einzelnen Batteriezweigen und dem gemeinsamen Bus können ebenfalls zur gesamten Spannungsdifferenz beitragen, die vom PCS erfasst wird.

Bei einem System mit mehreren parallelen Zweigen sollte daher der gesamte Gleichstrompfad berücksichtigt werden, anstatt den Hauptbus isoliert zu betrachten.

Die DC-Bus- und PCS-Schnittstelle

Die Verbindung zwischen dem DC-Bus und dem PCS ist einer der wichtigsten Punkte im BESS-Strompfad.

Das PCS muss innerhalb eines definierten Gleichspannungs- und Strombereichs arbeiten. Gleichzeitig ändert sich die Spannung des Batteriesystems während des Lade- und Entladevorgangs.

Das bedeutet, dass der Gleichstrombus und die zugehörigen elektrischen Anschlüsse den tatsächlichen Betriebsbereich des Batteriesystems berücksichtigen müssen und nicht nur auf einem Nennspannungswert basieren dürfen.

Die PCS-Schnittstelle muss außerdem einen bidirektionalen Stromfluss unterstützen.

Während der Entladung:

Batterie → Gleichstromzwischenkreis → PCS → Wechselstromausgang

Während des Ladevorgangs:

Wechselstromeingang → PCS → Gleichstromzwischenkreis → Batterie

Der Bus muss daher unter den entsprechenden Betriebsbedingungen Strom in beide Richtungen liefern können.

Dies unterscheidet sich von der Entwicklung eines einfachen unidirektionalen Gleichstromversorgungspfads.

Schutzzonen um den Gleichstrombus

Der DC-Bus beeinflusst auch die Anordnung der Schutzmechanismen innerhalb eines BESS.

Der Schutz sollte mit der physikalischen und elektrischen Struktur des Systems abgestimmt sein.

Ein Batteriezweig benötigt möglicherweise Schutz in der Nähe seines Anschlusspunktes, während für den gemeinsamen Bus und die PCS-Schnittstelle unterschiedliche Schutzanforderungen gelten können.

Dadurch entstehen mehrere Schutzzonen, anstatt die gesamte Gleichstromseite als einen einzigen elektrischen Abschnitt zu behandeln.

Bei der Konstruktion müssen möglicherweise folgende Aspekte berücksichtigt werden:

• Fehlerstrombeitrag einzelner Batteriezweige
• Fehlerstrom auf dem gemeinsamen Gleichstromzwischenkreis
• Standort der Schutzvorrichtungen
• Isolation zwischen Ästen
• Schutzkoordination
• Anforderungen an die Gleichstromunterbrechung
• Störungsbeseitigungszeit

Ziel ist es nicht einfach, dem System zusätzliche Schutzvorrichtungen hinzuzufügen.

Der Schutz muss den tatsächlichen Strompfaden und Fehlergrenzen entsprechen, die durch die DC-Architektur entstehen.

Dies wird besonders wichtig, wenn mehrere Batteriezweige an denselben Bus angeschlossen sind.

Schalten und Trennen auf der Gleichstromseite

Ein skalierbares Batteriespeichersystem benötigt kontrollierte Methoden zum Verbinden und Trennen der Batteriestrompfade.

Schaltvorrichtungen können an definierten Punkten eingesetzt werden, um den Normalbetrieb, die Wartung und die Fehlerbehebung zu unterstützen.

Beispielsweise muss ein Batteriezweig möglicherweise elektrisch isoliert bleiben, während ein anderer Zweig weiterhin in Betrieb bleibt.

Die Schaltanforderungen hängen vom Standort des Geräts und seiner Betriebsart ab.

Ein Gerät, das zur kontrollierten Verbindung eines Batteriezweigs verwendet wird, kann anderen Bedingungen ausgesetzt sein als ein Gerät, das in einem Haupt-Gleichstrompfad verwendet wird.

Aus diesem Grund sollten Schaltkomponenten als Teil der gesamten DC-Bus-Architektur und nicht als unabhängige Hardwareauswahl betrachtet werden.

Spannung, Stromstärke, Lastcharakteristik und Schaltfrequenz müssen alle auf die tatsächliche Anwendung abgestimmt sein.

Thermische Überlegungen für Hochstrom-Sammelschienenabschnitte

Elektrische Verluste in einem Gleichstromzwischenkreis erzeugen Wärme.

Mit steigender Stromstärke gewinnen die ohmschen Verluste zunehmend an Bedeutung.

P = I²R

Das bedeutet, dass bereits ein relativ geringer Anstieg des Stroms bei konstantem Widerstand zu einem größeren Anstieg der Widerstandsverluste führen kann.

Bei Hochleistungs-BESS-Anwendungen muss die thermische Auslegung daher nicht nur den Hauptbusleiter, sondern auch Anschlusspunkte und Schnittstellen umfassen.

Zu den Bereichen, die Aufmerksamkeit verdienen, gehören:

• Stromschienen- oder Leiterquerschnitt
• Verbindungswiderstand
• Endtemperatur
• Luftstrom im Gehäuse
• Umgebungstemperatur
• Dauerbetriebsstrom
• Spitzenstrom
• Temperaturanstieg an den Verbindungsstellen

Die Anschlusspunkte können von besonderer Bedeutung sein, da bereits eine geringe Erhöhung des Kontaktwiderstands bei hohen Stromstärken zu zusätzlicher lokaler Erwärmung führen kann.

Der Gleichstrombus sollte daher als vollständiger Strompfad und nicht einfach als ein Stück leitfähiges Material betrachtet werden.

Entwurf für modulare BESS-Erweiterung

Modularität gewinnt bei der Entwicklung von Batteriespeichersystemen zunehmend an Bedeutung.

Eine modulare Architektur ermöglicht die Integration zusätzlicher Batteriekapazität oder Leistungsumwandlungskapazität, ohne dass das gesamte System neu konzipiert werden muss.

Der Gleichstrombus muss diese Möglichkeit von Anfang an berücksichtigen.

Ein skalierbares Design kann Folgendes definieren:

• Reservierte Anschlusspunkte
• Buskapazität für zusätzliche Zweigstellen
• Isolationsgrenzen
• Schutzzonen
• PCS-Schnittstellenkapazität
• Physischer Raum für zukünftige Verbindungen

Dies bedeutet nicht, dass jedes System für zukünftige Erweiterungen ausgelegt sein muss.

Wenn jedoch eine Erweiterung zu den Projektanforderungen gehört, sollte der DC-Bus frühzeitig in Betracht gezogen werden und nicht erst hinzugefügt werden, nachdem die elektrische Hauptarchitektur bereits festgelegt wurde.

Was Ingenieure bei der Auslegung eines BESS-Gleichstrombusses beachten sollten

Die zentralen Gestaltungsfragen lassen sich in mehrere Bereiche einteilen.

Diese Faktoren sollten gemeinsam bewertet werden.

Eine Erhöhung der Anzahl der Batteriezweige wirkt sich beispielsweise nicht nur auf den Gesamtstrom aus, sondern auch auf die Busstruktur, die Schutzzonen, die thermische Belastung sowie die Anzahl der Anschluss- und Trennpunkte.

Eine Systembetrachtung des Gleichstrom-Leistungsflusses in Batteriespeichersystemen

Der Gleichstrombus wird manchmal als einfache Verbindung zwischen Batterien und PCS betrachtet.

Bei höheren Systemleistungsstufen ist dieser Ansatz nicht mehr ausreichend.

Der Bus bestimmt, wie mehrere Batteriezweige zusammengeführt werden, wie der Strom verteilt wird, wo elektrische Abschnitte isoliert werden können und wie die Batterieseite mit dem PCS interagiert.

Ein gut konzipierter Gleichstrombus sollte daher vier grundlegende Anforderungen erfüllen:

Gesteuerter Leistungsfluss
Die Energie sollte sowohl unter Lade- als auch unter Entladebedingungen effizient zwischen den Batteriezweigen und dem PCS fließen.

Vorhersagbare Stromverteilung
Parallele Zweige sollten innerhalb ihrer vorgesehenen elektrischen und thermischen Grenzen betrieben werden.

Definierter Schutz und Isolation
Störungen und Wartungsarbeiten sollten innerhalb klar definierter elektrischer Abschnitte beherrschbar sein.

Skalierbare Systemarchitektur
Die Busstruktur sollte der aktuellen Systemkonfiguration entsprechen und gegebenenfalls eine praktische Erweiterung ermöglichen.

Für BESS-Entwickler gewinnen diese Überlegungen zunehmend an Bedeutung, da Batteriesysteme mehr parallele Zweige und höhere Leistungspegel nutzen.

Der Gleichstromzwischenkreis ist nicht einfach nur der leitende Pfad zwischen zwei Hauptkomponenten. Er ist Teil der Systemarchitektur, die Batteriestromversorgung, Schutzfunktionen, Schaltungen und Leistungswandlung zu einem kontrollierten elektrischen Pfad verbindet.