Auswahlkriterien für Gleichstromschütze in Hochspannungs-Batteriespeicheranwendungen

Gleichstromschütze werden in Batteriespeichersystemen häufig eingesetzt, um Hochspannungs-Gleichstromkreise unter kontrollierten Bedingungen zu schalten und zu trennen.

In einem Batteriespeichersystem (BESS) kann ein Schütz Teil des Batteriepacks, des Hochspannungskastens, des Batteriegestells oder des Hauptgleichstromkreises sein. Obwohl seine grundlegende Funktion einfach ist, können die elektrischen Bedingungen in der Umgebung des Schützes von System zu System erheblich variieren.

Der Auswahlprozess umfasst daher mehr als nur die Abstimmung der Nennspannung und des Nennstroms des Schützes mit den Systemvorgaben.

Dauerstrom, Schaltbedingungen, elektrische Lebensdauer, Fehleranforderungen, Temperatur und die Eigenschaften der angeschlossenen Last können allesamt Einfluss darauf haben, ob ein bestimmter Gleichstromschütz für eine Hochspannungs-BESS-Anwendung geeignet ist.

Beginnen Sie mit der tatsächlichen Gleichstromsystemspannung.

Als erstes muss die maximale Spannung ermittelt werden, der der Schütz in der Anwendung ausgesetzt sein wird.

Dies sollte auf den tatsächlichen Gleichstromsystembedingungen und nicht nur auf der Nennspannung der Batterie basieren.

Je nach Batteriekonfiguration und Betriebszustand kann sich die Spannung während des Lade- und Entladevorgangs ändern. Die maximal mögliche Spannung sollte daher bei der Auswahl des Schützes berücksichtigt werden.

Ingenieure sollten Folgendes bewerten:

• Maximale Betriebsspannung
• Batteriestrangkonfiguration
• Ladespannung
• Erwartete Spannungstransienten
• Isolierungsanforderungen
• Anwendbare Sicherheitsmargen

Die Gleichspannungsnennspannung des Schützes muss für den gesamten Betriebsbereich des Systems geeignet sein.

Dies ist insbesondere bei Hochspannungs-BESS-Anwendungen von Bedeutung, da die Anforderungen an das Unterbrechungsverhalten mit steigender Gleichspannung zunehmen.

Der Dauerstrom ist nur ein Teil der Nennleistung.

Ein Gleichstromschütz muss in der Lage sein, den zu erwartenden Strom im Normalbetrieb zu führen, ohne seine thermischen Grenzwerte zu überschreiten.

Allerdings ist der maximale Dauerstrom nicht immer der einzige Stromwert, der von Bedeutung ist.

Ein BESS kann während des Betriebs unterschiedlichen Strombedingungen ausgesetzt sein:

• Normales Laden
• Normale Entladung
• Betrieb mit maximaler Leistung
• Vorübergehende Überlastung
• Vorlade- und Schaltvorgänge
• Systemstart und -abschaltung

Der Schütz sollte daher anhand des zu erwartenden Betriebsprofils bewertet werden.

Ein System, das die meiste Zeit mit einem moderaten Strom arbeitet, aber häufig Hochstrombetrieb erfährt, kann andere Anforderungen an den Schütz stellen als ein System, das mit einem stabilen Dauerstrom arbeitet.

Kontaktwiderstand und Temperaturanstieg an den Anschlüssen sind ebenfalls relevant, da sie die Wärmeerzeugung bei längeren Betriebszeiten beeinflussen.

Berücksichtigen Sie die tatsächlichen Schaltbedingungen

Der von einem Schütz transportierte Strom und der von einem Schütz unterbrochene Strom sind nicht immer gleich.

Diese Unterscheidung ist bei Gleichstromanwendungen wichtig.

Einige Schütze werden hauptsächlich für das kontrollierte Ein- und Ausschalten unter normalen Betriebsbedingungen benötigt, während andere anspruchsvolleren Schaltvorgängen ausgesetzt sein können.

Die Anwendung sollte daher Folgendes definieren:

• Erwartete Schaltspannung
• Erwarteter Schaltstrom
• Strom erzeugen
• Unterbrecherstrom
• Schaltfrequenz
• Lastcharakteristik

Das Schalten eines schwach belasteten Stromkreises unterscheidet sich vom Unterbrechen des Stroms in einem Hochleistungs-Gleichstromkreis.

Die Leistungsfähigkeit des Schützes sollte anhand der tatsächlichen Schaltlast und nicht nur anhand seiner Dauerstrombelastbarkeit überprüft werden.

Die elektrische Belastbarkeit sollte der Anwendung entsprechen.

Die Anzahl der Schaltzyklen kann den Kontaktverschleiß und die Gesamtlebensdauer beeinflussen.

Ein Schütz, der nur zur gelegentlichen Systemisolierung verwendet wird, kann ein ganz anderes Betriebsprofil aufweisen als ein Schütz, der häufig zur täglichen Lade- und Entladesteuerung eingesetzt wird.

Die elektrische Belastbarkeit sollte daher zusammen mit Folgendem betrachtet werden:

• Schaltstrom
• Schaltspannung
• Anzahl der Operationen
• Lastart
• Erforderliche Nutzungsdauer

Die Daten zur elektrischen Lebensdauer sind normalerweise an spezifische Betriebsbedingungen gebunden.

Die Lebensdauer eines Schützes kann sich je nach Art der Last (niedriger Strom, hoher Strom, ohmsche Lasten oder andere Lastarten) unterscheiden.

Bei BESS-Anwendungen mit häufigem Ein- und Ausschalten können diese Informationen nützlicher sein als die alleinige Betrachtung der mechanischen Betriebsdauer.

Fehlerzustände und Kurzzeitstromfestigkeit

Ein Gleichstromschütz ist kein Ersatz für eine Hochgeschwindigkeits-Fehlerschutzeinrichtung.

Bei einem schwerwiegenden Kurzschluss kann der Schütz einem hohen Strom ausgesetzt sein, bevor das Schutzsystem den Fehler isoliert.

Daher sollte der Schütz auf seine Fähigkeit hin überprüft werden, den elektrischen Bedingungen standzuhalten, die während der Schutzsequenz auftreten können.

Relevante Überlegungen können Folgendes umfassen:

• Kurzzeit-Stromfestigkeit
• Kontaktschweißwiderstand
• Abstimmung mit Gleichstromsicherungen
• Fehlerisolierungssequenz
• BMS-Regelungsreaktion
• Schutz vor und nach dem Aufstrom

In einem korrekt abgestimmten BESS-Schaltkreis haben die verschiedenen Komponenten unterschiedliche Aufgaben.

Der Schütz sorgt für kontrolliertes Schalten und elektrische Trennung, während die Sicherung oder eine andere Schutzeinrichtung für die Unterbrechung des Fehlerstroms innerhalb ihres spezifizierten Betriebsbereichs verantwortlich ist.

Die Auswahl einer Komponente sollte daher im Hinblick auf die Leistungsfähigkeit der anderen Komponenten überprüft werden.

Kontaktwiderstand und Temperaturanstieg

Bei Hochstrom-Gleichstromkreisen ist der Kontaktwiderstand ein wichtiger Faktor.

Selbst ein relativ kleiner Widerstand kann bei kontinuierlichem Stromfluss erhebliche Wärme erzeugen.

Der daraus resultierende Temperaturanstieg hängt von mehreren Faktoren ab, darunter:

• Betriebsstrom
• Kontaktwiderstand
• Terminaldesign
• Leitergröße
• Installationsbedingungen
• Umgebungstemperatur

In kompakten BESS-Gehäusen kann die Wärme von nahegelegenen Komponenten die Betriebstemperatur des Schützes zusätzlich erhöhen.

Aus diesem Grund sollte die thermische Umgebung zusammen mit der Strombelastbarkeit des Schützes berücksichtigt werden.

Ein Schütz, der unter Standardtestbedingungen geeignet ist, kann sich anders verhalten, wenn er in einem dicht bestückten Hochspannungskasten oder Batterieschrank installiert wird.

Spulen- und Steuerungsanforderungen

Die Steuerseite des Schützes muss ebenfalls zum Systemdesign passen.

Wichtige Parameter können sein:

• Spulenspannung
• Ansprechspannung
• Ausfallspannung
• Stromverbrauch
• Kontinuierliche Spulenleistung
• Steuerungsschnittstelle

Die Steuerspannung muss innerhalb des vorgegebenen Betriebsbereichs des Schützes bleiben.

Dies ist insbesondere bei batteriebetriebenen Systemen relevant, bei denen sich die Steuerspannung unter verschiedenen Betriebsbedingungen ändern kann.

Das Gebäudeleitsystem (BMS) bzw. die Steuerung sollte auch in der Lage sein, den Schütz zuverlässig zu überwachen und zu steuern.

In einigen Anwendungen werden Hilfskontakte oder andere Rückkopplungsmethoden verwendet, um Informationen über den Schaltzustand zu liefern.

Achten Sie auf Polarität und Stromrichtung.

Einige Hochspannungs-Gleichstromschütze verwenden Permanentmagnete zur Unterstützung der Lichtbogenunterbrechung.

Bei diesen Konstruktionen können die Stromrichtung und die Polarität der Verbindung für das Abschaltverhalten relevant sein.

Dies gilt nicht für jede Schützkonstruktion, sollte aber immer dann überprüft werden, wenn das ausgewählte Produkt spezielle Polaritätsanforderungen hat.

Bei Anwendungen, bei denen der Strom während des Ladens und Entladens in beide Richtungen fließt, sollten die Ingenieure sicherstellen, dass der Schütz für die zu erwartenden Betriebsbedingungen in beiden Richtungen geeignet ist.

Die vom Hersteller vorgegebenen Installationsanforderungen sollten genau befolgt werden.

Mechanische Installations- und Anschlussplanung

Die elektrische Leistungsfähigkeit kann auch durch die mechanische Installation beeinträchtigt werden.

Der Schütz sollte gemäß den Vorgaben des Herstellers installiert werden:

• Montageausrichtung
• Terminaldrehmoment
• Sammelschienen- oder Kabelanschluss
• Freigabe
• Vibrationsfestigkeit
• Umweltbedingungen

Schlechte Anschlussverbindungen können den Kontaktwiderstand erhöhen und zusätzliche Wärme erzeugen.

Mechanische Belastungen an Klemmen oder Stromschienen können auch die Langzeitzuverlässigkeit beeinträchtigen.

Bei Hochstrom-BESS-Anwendungen sollte der Schütz als Teil der gesamten elektrischen Verbindung und nicht als isolierte Komponente betrachtet werden.

Bei der Auswahl sollte das gesamte Betriebsprofil berücksichtigt werden.

Ein praktischer Auswahlprozess für Gleichstromschütze kann die folgenden Schritte umfassen:

1. Bestätigen Sie die maximale Gleichspannung des Systems.
2. Bestimmen Sie den normalen Dauerstrom.
3. Identifizieren Sie Spitzenströme und vorübergehende Überlastungszustände.
4. Definieren Sie den erforderlichen Ein- und Ausschaltstrom.
5. Prüfen Sie die erwartete Schaltfrequenz.
6. Beurteilen Sie die elektrische Belastbarkeit unter tatsächlicher Betriebsbelastung.
7. Prüfen Sie die Kurzzeitstrom- und Fehlerbedingungen.
8. Prüfen Sie die Abstimmung mit Gleichstromsicherungen und anderen Schutzeinrichtungen.
9. Umgebungs- und Gehäusetemperatur prüfen.
10. Spulenspannung und Steuerungsanforderungen bestätigen.
11. Prüfen Sie die Polaritätsanforderungen und die Stromrichtung.
12. Überprüfen Sie die mechanischen Installations- und Anschlussbedingungen.

Dieser Prozess trägt dazu bei, die Auswahl über einen einfachen Spannungs- und Stromvergleich hinaus zu erweitern.

Koordination des Gleichstromschützes mit dem Rest des BESS

Die Leistungsfähigkeit eines Gleichstromschützes hängt unter anderem davon ab, wie er in das Gesamtsystem integriert ist.

Der Schütz kann zusammen mit Folgendem betrieben werden:

• Gleichstromsicherungen
• Vorladeschaltungen
• BMS-Steuerungen
• Stromüberwachungsgeräte
• Hochspannungskästen
• PCS-Schnittstellen

Beispielsweise beeinflusst der Zeitpunkt der Vorladesequenz die elektrische Belastung, der der Hauptschütz während des Systemanschlusses ausgesetzt ist.

Ebenso muss die Schutzeinrichtung angemessen reagieren, wenn der Strom die vorgesehenen Betriebsbedingungen des Schützes überschreitet.

Deshalb sollten die Auswahl des Schützes und die Schaltungsauslegung gemeinsam betrachtet werden.

Auswahl von Gleichstromschützen in Hochleistungs-Batteriespeichersystemen

Da BESS-Plattformen in Richtung höherer Leistung und kompakterer elektrischer Architekturen gehen, müssen Schütze unter immer anspruchsvolleren Bedingungen funktionieren.

Höhere Ströme können zu erhöhten Kontaktwiderstandsverlusten und Temperaturanstiegen führen. Höhere Gleichspannungen können die Stromunterbrechung erschweren. Kompakte Hochspannungsgehäuse stellen zudem höhere Anforderungen an die thermische Leistungsfähigkeit.

Diese Bedingungen erfordern nicht unbedingt einen einzigen Schütztyp für jede Anwendung.

Die geeignete Auswahl hängt von der tatsächlichen Spannung, dem Strom, dem Schaltverhalten, den Fehlercharakteristika, der thermischen Umgebung und der Regelungsstrategie des Systems ab.

Ein für eine Batterieplattform ausgewählter Schütz ist möglicherweise nicht automatisch für eine andere Plattform mit einem anderen Leistungsprofil oder einer anderen Schaltungsarchitektur geeignet.

Die Anwendung statt des Typenschilds auswählen

Die Nennspannung und Nennstromstärke sind notwendige Ausgangspunkte, liefern aber kein vollständiges Bild für die Auswahl von Hochspannungs-BESS-Schützen.

Der Schütz muss außerdem den tatsächlichen Betriebsbedingungen des Systems entsprechen.

Schaltverhalten, elektrische Belastbarkeit, thermisches Verhalten, Fehlerzustände, Steuerungsanforderungen und Schutzkoordination müssen allesamt berücksichtigt werden.

Bei Hochvolt-Batteriespeichersystemen ist ein geeigneter Gleichstromschütz ein solcher, der zur gesamten elektrischen Anwendung passt und nicht nur die höchsten in der Systemspezifikation aufgeführten Spannungs- und Stromwerte erfüllt.

Ein strukturierter Auswahlprozess kann Ingenieuren helfen, diese Bedingungen frühzeitig zu bewerten und ein zuverlässiges Schalten und Trennen während der gesamten Lebensdauer des Batteriespeichersystems zu gewährleisten.