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Wie thermische Bedingungen die Auswahl von Gleichstromsicherungen in Batteriespeichersystemen beeinflussen
Bei der Auswahl von Sicherungen in einem Batteriespeichersystem geht es nicht einfach darum, die Nennleistung der Sicherung an den Nennstrom des Systems anzupassen.
Eine Sicherung kann in einem Batterieschrank, einem Hochspannungskasten, einem Gleichstromschrank oder einem anderen geschlossenen elektrischen Fach installiert werden. Die Temperatur am Installationsort kann von der Umgebungstemperatur außerhalb des Geräts abweichen, insbesondere wenn mehrere stromführende und leistungselektronische Bauteile im selben Raum betrieben werden.
Aus diesem Grund sollten bei der Auswahl einer Gleichstromsicherung für den Dauerbetrieb die thermischen Bedingungen berücksichtigt werden.
Warum die Temperatur bei Gleichstromsicherungen eine Rolle spielt
Eine Sicherung erzeugt Wärme, wenn Strom durch ihr Sicherungselement fließt. Wie effektiv diese Wärme abgeführt wird, hängt unter anderem von der Umgebungstemperatur und den Einbaubedingungen ab.
Mit steigender Umgebungstemperatur verringert sich die verfügbare thermische Reserve. Je nach Sicherungsausführung muss daher der zulässige Dauerstrom gemäß den vom Hersteller angegebenen Reduktionsinformationen gegebenenfalls reduziert werden.
Dies bedeutet, dass eine Sicherung, die für einen bestimmten Strom unter festgelegten Testbedingungen ausgelegt ist, nicht automatisch als in der Lage angesehen werden sollte, in jeder BESS-Installation kontinuierlich denselben Strom zu führen.
Die relevanten Temperaturreduktionsdaten sollten stets für die jeweilige Sicherungsserie und die jeweiligen Installationsbedingungen überprüft werden.
Die Umgebungstemperatur allein ist nicht das ganze Bild
Die Temperatur um eine Sicherung innerhalb eines BESS-Gehäuses kann erheblich von der Raumtemperatur abweichen.
Wärme kann aus der Nähe kommen:
- Batteriemodule
- Stromschienen
- Gleichstromschütze
- Kabelverbindungen
- Leistungselektronik
- Weitere Schutzkomponenten
Die Gehäusekonstruktion beeinflusst auch die Wärmeableitung.
Eine in einem kompakten Gehäuse mit eingeschränkter Luftzirkulation installierte Sicherung kann daher anderen thermischen Bedingungen ausgesetzt sein als eine identische Sicherung, die in einer offeneren Anordnung installiert ist.
Für eine präzise Auswahl sollten Ingenieure die Temperatur am tatsächlichen Installationsort berücksichtigen und sich nicht nur auf die allgemeine Umgebungstemperatur der Anlage verlassen.
Dauerstrom und thermische Belastung
Der normale Betriebsstrom ist ein weiterer wichtiger Faktor.
Eine Sicherung, die dauerhaft nahe ihrer Nennstromstärke betrieben wird, erzeugt mehr Wärme als eine Sicherung, die mit einer deutlich geringeren Last betrieben wird. In Verbindung mit einer hohen Umgebungstemperatur kann die verfügbare thermische Reserve dadurch eingeschränkt werden.
Für BESS-Anwendungen sollte daher der zu erwartende Dauerstrom zusammen mit Folgendem bewertet werden:
- Umgebungstemperatur
- Gehäusetemperatur
- Installationsbedingungen
- Kühlbedingungen
- Anforderungen an die Sicherungsreduzierung
Beispielsweise kann ein Batterieträger einen normalen Entladestrom aufweisen, der scheinbar innerhalb der Nennstromstärke der Sicherung liegt. Wird die Sicherung jedoch in einem warmen Gehäuse installiert und über längere Zeiträume mit einem hohen Prozentsatz ihres Nennstroms betrieben, kann die tatsächliche Betriebssicherheit geringer sein als die Nennstromstärke vermuten lässt.
Temperaturreduzierung bei der Auswahl von BESS-Sicherungen
Die Temperaturreduzierung dient dazu, den Einfluss der Betriebsbedingungen auf den zulässigen Strom einer Sicherung zu berücksichtigen.
Der genaue Wert der Leistungsreduzierung hängt von der Konstruktion der Sicherung und den Herstellervorgaben ab. Er sollte nicht anhand einer allgemeinen Regel, die für jede Sicherung gilt, geschätzt werden.
Bei der Auswahl einer Sicherung sollten Ingenieure daher das entsprechende Datenblatt auf Folgendes überprüfen:
- Temperatur-Derating-Kurven
- Bemessungsbedingungen
- Laufende Empfehlungen
- Installationsanforderungen
- Anwendbare Standards
Das Ergebnis ist eine realistischere Einschätzung, ob die ausgewählte Sicherung unter den tatsächlichen Systembedingungen dauerhaft funktionieren kann.
Der Installationsort kann die thermische Umgebung verändern
Ein und dasselbe Sicherungsmodell kann je nach Einbauort unterschiedlichen thermischen Bedingungen ausgesetzt sein.
Batteriehalterung
Eine Rack-Sicherung kann sich in der Nähe von Batteriemodulen, Schützen, Sammelschienen und Kabelanschlüssen befinden.
Der verfügbare Platz und die Luftzirkulation im Inneren des Racks können die Wärmeableitung beeinflussen, insbesondere wenn mehrere stromführende Komponenten eng beieinander installiert sind.
Hochspannungskasten
Ein Hochspannungskasten enthält oft mehrere elektrische Komponenten in einem relativ kompakten Gehäuse.
Bei der Beurteilung der Temperatur im Bereich der Sicherung sollte die gesamte Wärmemenge berücksichtigt werden, die von Sicherungen, Schützen, Leitern und anderen Bauteilen erzeugt wird.
DC-Schrank und Leistungswandlungsschnittstelle
Eine in der Nähe von Leistungsumwandlungsgeräten installierte Sicherung kann einer zusätzlichen Wärmeentwicklung durch Leistungselektronik und Hochstromanschlüsse ausgesetzt sein.
Die thermischen Bedingungen in diesem Bereich können sich daher von denen auf der Ebene des Batteriefachs unterscheiden.
Der Einbauort sollte als Teil des Sicherungsauswahlprozesses betrachtet werden und nicht als separate Überlegung, nachdem das Bauteil bereits ausgewählt wurde.
Auch die Kühlbedingungen spielen eine Rolle.
Die Kühlung beeinflusst, wie Wärme von elektrischen Bauteilen abgeführt wird.
Je nach BESS-Design kann das Wärmemanagement Folgendes umfassen:
- Natürliche Konvektion
- Zwangsluft
- Flüssigkeitskühlung
- Kühlung auf Schrankebene
Das Vorhandensein eines Kühlsystems allein entscheidet jedoch nicht darüber, ob eine Sicherung bei ihrem Nennstrom funktionieren kann.
Entscheidend ist die tatsächliche Temperatur im Bereich der Sicherung und ob diese Temperatur innerhalb der für das gewählte Gerät festgelegten Bedingungen bleibt.
Dies ist insbesondere bei kompakten BESS-Gehäusen relevant, da die Kühlvorrichtung für die Batterie oder die Leistungselektronik nicht unbedingt bedeutet, dass alle Komponenten im Inneren des Gehäuses die gleiche Temperatur erfahren.
Thermische Bedingungen und Sicherungsstrombelastbarkeit
Der Nennstrom einer Sicherung muss zusammen mit den zu erwartenden Betriebsbedingungen betrachtet werden.
Bei einer praxisorientierten Auswahl sollten folgende Aspekte berücksichtigt werden:
- Maximaler Dauerstrom
- Maximale Systemspannung
- Umgebungstemperatur
- Gehäusetemperatur
- Installationsmethode
- Kühlbedingungen
- Eigenschaften der Sicherungsreduzierung
Die Auswahl einer Sicherung allein aufgrund ihres höheren Nennstroms im Vergleich zur erwarteten Last liefert nicht genügend Informationen, um zu bestätigen, dass die Auswahl angemessen ist.
Gleichzeitig kann die einfache Auswahl einer Sicherung mit deutlich höherer Nennleistung, um eine hohe Umgebungstemperatur auszugleichen, die beabsichtigten Schutzeigenschaften beeinträchtigen.
Der richtige Ansatz besteht darin, die tatsächlichen Betriebsbedingungen mit den Sicherungsdaten des Herstellers abzugleichen.
Hochleistungsbatteriesysteme erfordern eine stärkere Beachtung der thermischen Bedingungen.
Leistungsstärkere Batteriesysteme können den durch den Schutzpfad fließenden Dauerstrom erhöhen.
Gleichzeitig ermöglichen kompakte Systemdesigns die Unterbringung von mehr stromführenden Bauteilen und Wärmequellen in einem begrenzten Gehäusevolumen.
Durch diese Kombination gewinnen die thermischen Bedingungen bei der Auswahl der Schutzkomponenten an Bedeutung.
Ziel ist es nicht einfach, eine größere Sicherung auszuwählen. Das gewählte Gerät muss weiterhin den erforderlichen Schutz für den Batteriestromkreis, die Leiter, die Schaltkomponenten und die angeschlossenen Geräte gewährleisten.
Daher müssen neben den Anforderungen an den elektrischen Schutz auch die thermischen Bedingungen berücksichtigt werden.
Thermische Bedingungen und Langzeitbetrieb
Von BESS-Anlagen wird häufig erwartet, dass sie über lange Zeiträume unter variierenden Lastbedingungen funktionieren.
Eine für eine bestimmte Anwendung ausgewählte Sicherung sollte daher unter den Bedingungen bewertet werden, denen sie im normalen Betrieb voraussichtlich ausgesetzt sein wird, und nicht nur im Rahmen von Kurzzeittests.
Betriebstemperatur, Dauerstrom, Gehäusebedingungen und Kühlung tragen alle zur thermischen Umgebung der Sicherung bei.
Die Einhaltung der vom Hersteller vorgegebenen Grenzwerte für diese Faktoren trägt dazu bei, eine gleichbleibende Sicherungsleistung im normalen Betrieb zu gewährleisten.
Ein praktischer Ansatz zur Auswahl von Gleichstromsicherungen für Batteriespeichersysteme
Bei einem Hochspannungs-Batteriespeichersystem können thermische Aspekte neben den wichtigsten elektrischen Parametern in den Auswahlprozess der Sicherungen einbezogen werden.
Eine praktische Bewertung kann Folgendes umfassen:
- Ermitteln Sie den maximalen Dauerbetriebsstrom.
- Bestätigen Sie die maximale Gleichspannung des Systems.
- Ermitteln Sie den zu erwartenden Kurzschlussstrom.
- Prüfen Sie die erforderliche Bremsleistung.
- Ermitteln Sie den tatsächlichen Einbauort der Sicherung.
- Ermitteln Sie die zu erwartende Umgebungs- und Gehäusetemperatur.
- Bitte prüfen Sie die Angaben des Herstellers zur Temperaturreduzierung.
- Beurteilen Sie die Kühl- und Belüftungsbedingungen.
- Prüfen Sie die Zeit-Strom- und I²t-Kennlinie der Sicherung.
- Prüfen Sie die Abstimmung mit anderen Schutz- und Schaltkomponenten.
Dieser Ansatz verknüpft die Sicherungsnennleistung mit den Bedingungen des fertigen Batteriespeichersystems, anstatt die Sicherung als isolierte Komponente zu behandeln.
Die thermischen Bedingungen sind Teil der Sicherungsauswahl
Bei der Auswahl von Gleichstromsicherungen für BESS-Anwendungen spielen mehr Faktoren als nur Spannung und Nennstrom eine Rolle.
Temperatur, Dauerlast, Einbauort, Gehäusekonstruktion und Kühlbedingungen können allesamt die tatsächlichen Betriebsbedingungen einer Sicherung beeinflussen.
Die Berücksichtigung dieser Faktoren zusammen mit Kurzschlussstrom, Abschaltvermögen, Zeit-Strom-Kennlinie und I²t bietet eine umfassendere Grundlage für die Auswahl einer geeigneten Gleichstromsicherung.
Bei Hochspannungs-Energiespeichersystemen kann die frühzeitige Bewertung der thermischen Umgebung im Konstruktionsprozess dazu beitragen, ungeeignete Sicherungsnennwerte zu vermeiden und einen zuverlässigeren Langzeitbetrieb zu gewährleisten.
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