Вспомогательные цепи питания и управления системами накопления энергии (BESS): выбор компонентов за пределами основного тракта постоянного тока.

В системах хранения энергии на основе батарей (BESS) основное внимание часто уделяется основному пути передачи постоянного тока между батарейными блоками, высоковольтными распределительными коробками, распределительными коробками и системой преобразования энергии (PCS). Однако система также зависит от вспомогательных цепей, обеспечивающих мониторинг, управление, связь и координацию работы.

Эти цепи не передают ту же мощность, что и основная цепь батареи, но их рабочие характеристики не менее важны. Нестабильное питание управляющего напряжения, несовместимый интерфейс связи или неподходящее реле могут повлиять на то, как вся система реагирует на команды управления и нештатные ситуации.

Поэтому при разработке систем хранения энергии следует учитывать как основной силовой контур, так и вспомогательные электронные схемы.

Вспомогательные цепи выполняют различные функции.

Точная схема подключения варьируется в зависимости от архитектуры системы, но вспомогательная электроника обычно поддерживает несколько функций.

Питание управляющих устройств обеспечивает электронику и интерфейсы, нуждающиеся в питании, независимо от основного коммутационного тракта. В зависимости от конструкции это может включать преобразование постоянного тока в постоянный, регулирование напряжения и локальное распределение питания.

Система мониторинга собирает информацию, такую ​​как напряжение, ток, температура и состояние оборудования. Датчики, схемы обработки сигналов и коммуникационные интерфейсы помогают передавать эту информацию системе управления батареями (BMS) или контроллеру более высокого уровня.

Управление переключением координирует работу таких устройств, как контакторы и реле. Схема управления должна обеспечивать необходимые условия работы и, при необходимости, получать обратную связь о состоянии переключения.

Связь обеспечивает соединение между системой управления зданием (BMS), системой управления питанием (PCS), устройствами мониторинга и оборудованием диспетчерского управления. Необходимый интерфейс зависит от конструкции системы и протоколов, используемых подключенным оборудованием.

Эти функции следует оценивать по отдельности. Компонент, подходящий для одной цепи, может не соответствовать требованиям к напряжению, току, условиям окружающей среды или интерфейсу другой цепи.

Начните с дополнительного источника питания.

Требования к вспомогательному электропитанию следует определить до выбора отдельных компонентов.

Инженерам необходимо определить доступное входное напряжение, требуемое выходное напряжение, максимальную нагрузку, поведение при запуске и ожидаемые условия эксплуатации. Если используется преобразователь постоянного тока, диапазон его входного напряжения должен охватывать ожидаемые колебания напряжения от источника, а выходное напряжение должно оставаться пригодным для подключенной электроники.

Несколько параметров заслуживают внимания:

• Диапазон входного напряжения: Уточните минимальное и максимальное входное напряжение при ожидаемых условиях эксплуатации.

• Выходное напряжение и ток: Учитывайте нормальную нагрузку и любое временное увеличение во время запуска или переключения.

• КПД преобразования: Учитывайте потери мощности и выделяемое при этом тепло внутри корпуса.

• Переходные процессы: Проверьте, как система электроснабжения реагирует на изменение подключенных нагрузок.

• Функции защиты: Оцените требования к защите от перегрузки по току, перенапряжения, пониженного напряжения и перегрева.

• Требования к изоляции: Определите, требуется ли гальваническая изоляция в соответствии с архитектурой схемы и применимыми стандартами проектирования.

Правильный выбор зависит от питаемой нагрузки и способа организации вспомогательной цепи. Преобразователь не следует выбирать исключительно на основании того, что его номинальные входное и выходное напряжения, по-видимому, совпадают.

Для цепей управления необходимы совместимые коммутационные компоненты.

В зависимости от выполняемой функции, в схемах управления системами накопления энергии могут использоваться реле, контакторы или полупроводниковые приборы.

Реле, используемое для управления малой мощностью или в качестве интерфейсного устройства, предъявляет иные требования, чем контактор постоянного тока, коммутирующий сильноточную цепь батареи. Рассматривая их как взаимозаменяемые, можно сделать неправильный выбор.

При работе с реле инженерам может потребоваться проверить напряжение катушки, мощность катушки, конфигурацию контактов, номинальные параметры контактов для фактической нагрузки, электрическую износостойкость и требуемые характеристики изоляции.

Нагрузка, подключенная к реле, имеет особое значение. Коммутация резистивной нагрузки не обязательно эквивалентна коммутации емкостной, индуктивной или электронной нагрузки. Следует учитывать применимые номинальные параметры и условия эксплуатации, а не полагаться на одно значение тока.

В тех случаях, когда управляющая цепь задает режим работы главного контактора постоянного тока, при проектировании следует также учитывать требования к катушке контактора, допуск на питание от управляющего источника и любые вспомогательные контакты обратной связи, используемые для подтверждения его состояния.

Цепь управления и цепь коммутируемого питания выполняют разные функции. Их компоненты следует выбирать в соответствии с их соответствующими электрическими задачами.

Мониторинг сигналов зависит не только от датчика.

Эффективность мониторинга зависит от всего тракта сигнала, а не только от чувствительного элемента.

Типичная схема измерения может включать датчик, схему обработки сигнала, аналого-цифровой преобразователь и интерфейс связи. Фактическая компоновка зависит от архитектуры системы управления зданием (BMS) или системы мониторинга.

При оценке электронных компонентов на этом участке инженерам следует учитывать следующее:

• Диапазон измерений и требуемая точность

• Входное сопротивление и совместимость сигнала

• Чувствительность к шуму и требования к фильтрации

• Изоляция между секциями цепи, где это необходимо.

• Рабочая температура и долговременная стабильность

• Требования к разъемам и проводке

Электрическая обстановка внутри корпуса батареи может быть сложной. Переключения, преобразование энергии и длинные кабели могут создавать электрические помехи, влияющие на сигналы измерений или связь.

Поэтому вопросы заземления, экранирования, трассировки и проектирования интерфейсов следует рассматривать наряду со спецификациями компонентов.

Датчик с подходящими номинальными характеристиками может тем не менее потребовать соответствующей обработки сигнала и правил установки для получения надежных измерений в конечной системе.

Коммуникационные интерфейсы должны соответствовать архитектуре системы.

Взаимодействие между системой управления батареей (BMS), системой управления питанием (PCS) и контроллером позволяет различным частям системы хранения энергии обмениваться оперативной информацией.

Физический интерфейс, электрические характеристики и протокол связи должны быть совместимы с подключаемым оборудованием.

В зависимости от конструкции, схема может потребовать использования приемопередатчиков, разделительных устройств, защитных компонентов, разъемов и вспомогательных источников питания.

В процессе отбора необходимо установить:

• Какие устройства должны взаимодействовать?

• Какой физический интерфейс и протокол необходимы?

• Необходимо ли гальваническое разъединение?

• Ожидаемая длина кабеля и условия установки.

• Уровень электрических помех и воздействия переходных процессов

• Тип разъема и назначение контактов

Компоненты связи следует оценивать как часть общего интерфейса. Например, выбор трансивера с правильной поддержкой протокола сам по себе не гарантирует надежную связь, если проводка, оконечная нагрузка, заземление или изоляция не соответствуют требованиям.

Эти детали становятся особенно актуальными, когда несколько подсистем соединены внутри компактного корпуса или распределены по нескольким секциям оборудования.

Соединители и межсоединения также влияют на надежность.

Вспомогательные цепи часто содержат множество маломощных соединений для управляющих сигналов, измерительных каналов, связи и локального распределения электроэнергии.

Хотя по этим соединениям проходит меньший ток, чем по основной шине постоянного тока, они все же требуют соответствующих электрических и механических характеристик.

Важные факторы включают номинальное напряжение и ток, контактное сопротивление, сечение провода, требования к циклу сопряжения, вибростойкость, температурный диапазон и защиту от воздействия окружающей среды.

Условия установки имеют значение. Разъем, используемый внутри защищенного электронного отсека, может подвергаться иным условиям, чем разъем, установленный рядом со стенкой батарейного отсека или в зоне, подверженной вибрации, влаге или перепадам температуры.

Назначение контактов и схема подключения также должны быть проверены по документации системы. Неправильные соединения могут повлиять на точность измерений, связь или поведение системы управления.

Для узлов, требующих регулярного обслуживания, доступность разъемов и возможность правильной идентификации соединений также могут влиять на эффективность технического обслуживания.

Тепловые условия и пространство для установки

Вспомогательная электроника часто устанавливается рядом с другим оборудованием, включая преобразователи мощности, контакторы, клеммы для проводки и устройства мониторинга батарей.

Полученные тепловые условия могут отличаться от условий, использованных при определении характеристик отдельного компонента.

DC-DC преобразователи, реле, стабилизаторы напряжения и другие электронные устройства выделяют тепло во время работы. Их температура зависит от электрической нагрузки, потерь при преобразовании, воздушного потока, конструкции корпуса и расположенных рядом источников тепла.

Перед окончательным утверждением проекта инженерам следует ознакомиться с диапазоном рабочих температур компонента и любыми требованиями к снижению его характеристик, указанными в документации.

Важны также вопросы упаковки и монтажного пространства. Компонент может соответствовать электрическим требованиям, но его интеграция может быть затруднена, если его размеры, способ монтажа, доступ к разъемам или потребности в отводе тепла противоречат конструкции корпуса.

Ранняя оценка этих ограничений может снизить необходимость внесения изменений в процессе системной интеграции.

Защита и стабильность электропитания в вспомогательных цепях

Вспомогательная электроника требует защиты, соответствующей условиям ее эксплуатации.

Основной предохранитель аккумуляторной батареи автоматически не обеспечивает достаточную защиту для каждой ветви вспомогательного источника питания. В зависимости от конструкции цепи, номинальных параметров проводников и применимых требований безопасности, для отдельных ветвей может потребоваться собственная защита от перегрузки по току.

Система защиты должна быть согласована с ожидаемыми условиями возникновения неисправностей и допустимой нагрузкой на компоненты и проводку.

Стабильность электропитания — еще один важный фактор. При падении или прерывании напряжения в источнике управления затронутые устройства могут перезагрузиться, потерять связь или изменить свое состояние в соответствии со своей конструкцией.

Инженеры должны определить, какие функции должны оставаться доступными во время кратковременного или временного перебоя в электроснабжении, и выяснить, необходимы ли такие меры, как локальное накопление энергии, фильтрация входного сигнала или изменение архитектуры электроснабжения.

Эти меры должны основываться на функциональных требованиях системы, а не добавляться без определенной цели.

Практический контрольный список для выбора компонентов.

Перед окончательным утверждением вспомогательных цепей инженеры могут проверить проект, используя следующий контрольный список:

1. Определите функцию каждой вспомогательной цепи и оборудование, которое она питает.

2. Подтвердите требования к входному напряжению, выходному напряжению и току.

3. Проверьте пусковые нагрузки, переходные процессы и стабильность электропитания.

4. Проверьте совместимость реле, контакторов и драйверов с их фактической нагрузкой.

5. Определите диапазон мониторинга, точность и требования к обработке сигнала.

6. Подтвердите протоколы связи, электрические интерфейсы и потребности в изоляции.

7. Проверьте номинальные характеристики разъемов, схему подключения, расположение контактов и условия установки.

8. Оцените температуру, теплоотвод, вибрацию и доступное пространство.

9. Проверьте защиту филиала и его координацию с более широкой системой.

10. Убедитесь, что выбранные компоненты соответствуют применимым электрическим и экологическим требованиям.

Цель состоит не в том, чтобы указывать каждый компонент по отдельности. Важно обеспечить согласованную работу цепей питания, управления, мониторинга и связи в рамках заданных условий эксплуатации.

Взгляд за пределы основного пути передачи постоянного тока

Производительность системы накопления энергии зависит от взаимодействия между мощным электрооборудованием и вспомогательной электроникой, которая осуществляет мониторинг и управление им.

Аккумуляторные батареи, высоковольтные распределительные коробки, коммутационные коробки и интерфейсы PCS имеют свои собственные требования к питанию, в то время как вспомогательные цепи обеспечивают такие функции, как измерение, связь и управление переключением.

Это создает более широкую задачу выбора компонентов, чем выбор только основных устройств коммутации и защиты постоянного тока.

Для разработчиков систем определение электрических требований каждой цепи на раннем этапе помогает уточнить, какие характеристики компонентов имеют значение, где необходимо проверить совместимость и какие детали следует подтвердить в ходе анализа проекта.

ESHINE оказывает поддержку в поиске и техническом подборе электронных компонентов для энергетических и электротехнических приложений. Для проектов, включающих вспомогательные цепи питания, управления или мониторинга систем хранения энергии (BESS), предоставление информации о функциях схемы, электрических параметрах и условиях установки может помочь сузить круг подходящих вариантов компонентов.