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Unscheinbare Komponenten sind entscheidend für den Erfolg eines Energiespeichersystems

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Die Elektrifizierung vieler Bereiche unseres täglichen Lebens wird immer schneller und vielfältiger. Dabei spielen mehrere Faktoren zusammen. So werden immer mehr erneuerbare Energien wie Solarenergie aus Photovoltaikanlagen und Windenergie aus großen Turbinen in Kombination mit immer kompakteren und kostengünstigeren wiederaufladbaren Batterien für die Speicherung, ausgeklügelten Batteriemanagementsystemen zur Überwachung des Lade-/Entladevorgangs und Wechselrichtern zur Umwandlung der gespeicherten Energie in nutzbaren Strom eingesetzt.

Das Spektrum der Anwendungen ist breit gefächert und reicht von unübersehbaren Installationen im Netzbereich und mittelgroßen Anwendungen in Büros und Privathaushalten bis hin zur zunehmenden Verbreitung von Elektrofahrzeugen und deren Ladegeräten (Abbildung 1) und sogar weniger sichtbaren Anwendungen, wie z. B. dem Einsatz von emissionsfreien industriellen Gabelstaplern. Diese Systeme sind sowohl in ihrer Größe als auch in ihrem Umfang sehr unterschiedlich und variieren von großflächig und regional bis hin zu hochgradig konzentriert und lokal begrenzt.

Abbildung 1: Diese Ladestationen für Elektrofahrzeuge zeigen, wie weit die elektrische Energie in den Alltag vordringt und welche Herausforderungen damit verbunden sind. (Quelle: Noel - stock.adobe.com)

Die Herausforderung liegt im Detail

Ganz unabhängig von der Größe oder dem Umfang eines Projekts gibt es eine Grundregel, die jeder Ingenieur mit praktischer Erfahrung kennt: Die unscheinbaren und weniger spektakulären Komponenten machen oft den Unterschied aus zwischen einem System, das zwar einigermaßen funktioniert, aber zahlreiche Mängel und Leistungsprobleme aufweist, und einem soliden, robusten und zuverlässigen System, das zudem die zahlreichen Sicherheits- und Regulierungsstandards für seinen Betrieb erfüllt.

Bei Komponenten mit präzisen Funktionen, wie z. B. Solarmodulen, Windturbinen, Batteriemanagementsystemen (BMS) und Wechselrichtern, liegt der Schwerpunkt auf der Entwicklung. In der Öffentlichkeit werden sie aufgrund ihres hohen Bekanntheitsgrades sogar bis zu einem gewissen Grad wahrgenommen. In Wirklichkeit sind jedoch sehr viel mehr „kleinere“ Komponenten für ein vollständiges und gut funktionierendes System erforderlich. So werden neben den Hauptkomponenten eines einfachen Solar-Wechselrichters (Abbildung 2) auch kleinere, kritische Funktionen benötigt.

Abbildung 2: Ein einfacher Solar-Wechselrichter hat neben großen Funktionsblöcken auch kleinere, aber wichtige Funktionen. (Quelle: TE Connectivity)

Zwei dieser Funktionen sind:

• Schaltschütze (orangefarbener Kreis 3) sind leistungsstarke, elektrisch steuerbare Ein/Aus-Schalter (ähnlich einem Relais), die für die Stromverteilung, Hauptschalterfunktionen und die Gesamtsteuerung verwendet werden. Schaltschütze ermöglichen das Schalten und Steuern von Strompfaden.
• EMI-Filter (orangefarbener Kreis 4) sorgen für die notwendige Dämpfung von Störungen im Gleichtakt- und Differenzialmodus sowie von elektromagnetischen Störungen (EMI), die zwangsläufig von den schaltenden Wechselrichtern verursacht werden. Ohne diese Filter verursachen die Batterie-Energiespeichersysteme (Battery Energy Storage Systems, BESS) starke Störungen, die sich nicht nur auf ihren Betrieb, sondern auch auf benachbarte Systeme auswirken und die Zertifizierung gemäß den gesetzlichen Bestimmungen wahrscheinlich nicht bestehen werden.

Dimensionierung und Materialien müssen stimmen

Die Schaltpläne und Funktionen dieser Schaltschütze und Filter ähneln denen der Systeme mit geringer Leistung, doch das ist auch schon das Ende der Gemeinsamkeiten (Abbildungen 3 und 4).

Abbildung 3: Ein Schaltschütz ist ein elektrisch steuerbarer Hochspannungs-/Stromschalter, ähnlich einem Relais, der zur Stromverteilung verwendet wird. (Quelle: Mouser Electronics)

Abbildung 4: EMI-Filter werden in zweistufigen und einstufigen Konfigurationen angeboten und sind für die Dämpfung von Gleichtakt- und Differenzialstörungen sowie elektromagnetischen Interferenzen (EMI) unerlässlich. (Quelle: Mouser Electronics)

Die Komponenten müssen physisch größer sein, robustere interne und externe Kontakte und Verbindungen haben, andere Materialien und Kontaktbeschichtungen verwenden und für eine robuste Handhabung und exponierte Installationen geeignet sein. Bei den höheren Spannungen und Strömen besteht die Gefahr von Kontakterosion, lokaler Erwärmung, Hochspannungsüberschlägen und Funkenbildung, die zu Leistungseinbußen oder sogar zum Totalausfall führen können.

Bei näherer Betrachtung eines Schaltschützes und eines Filters wird deutlich, wie diese Funktionen in Anwendungen mit höherer Leistung funktionieren.

Die Hochspannungs-Gleichstromschütze der Serie ECK150/200/250 von TE Connectivity (TE) sind für die Steuerung von Ladestationen für Elektrofahrzeuge, Solarwechselrichtern, Batteriespeichersystemen, fahrerlosen Transportsystemen (FTS) und batteriebetriebenen Gabelstaplern konzipiert (Abbildung 5). Diese Schaltschütze können für eine DC-Ausschaltspannung von 1000 VDC und einen Ausschaltstrom von 2000 A (beides Maximalwerte) bei einem Dauerstrom von 250 A eingesetzt werden.

Damit diese Leistung erreicht werden kann, sind die Schütze in hermetisch dichten zylindrischen Gehäusen mit Keramiktechnologie untergebracht. Das gewährleistet Sicherheit und Zuverlässigkeit.

Abbildung 5: Die Hochspannungs-Gleichstromschütze der Serie ECK150/200/250 bieten dank der keramischen Versiegelungstechnologie Zuverlässigkeit unter anspruchsvollen Bedingungen. (Quelle: Mouser Electronics)

Die Schaltschütze haben eine Länge von 52 mm und einen Durchmesser von 56 mm und erfüllen alle relevanten UL-, CE- und CCC-Zulassungen. Zudem beträgt ihre erforderliche Halteleistung dank des integrierten pulsbreitenmodulierten „Economizer“-Aktivators trotz der hohen Spannungs-/Stromwerte nur 1,7 W. Auf diese Weise werden Energie- und Wärmeverluste minimiert.

Die dreiphasigen Hochleistungs-EMI-Filter der Baureihe Corcom AHV, ebenfalls von TE Connectivity, haben eine Nennspannung von bis zu 760 VAC und einen Nennstrom von bis zu 1000 A. Sie verfügen über eine ein- oder zweistufige Dreieckskonfiguration in einem kompakten Shelf- oder Chassis-Design sowie über eine kleine Grundfläche, um Platz und Kosten zu sparen (Abbildung 6); die kleinste Einheit (7 A) hat die Abmessungen von ca. 300 mm × 140 mm × 70 mm (T x H x B), während die Abmessungen der größten Einheit (180 A) 310 mm × 265 mm × 165 mm betragen.

Abbildung 6: Die dreiphasigen Hochleistungs-EMI-Filter der Baureihe Corcom AHV sind als ein- oder zweistufige Modelle mit unterschiedlichen Rauschdämpfungsebenen erhältlich. (Quelle: Mouser Electronics)

Sie eignen sich gut für Umrichter/Wechselrichter für erneuerbare Energien, Ladestationen für Elektrofahrzeuge und andere Industrieanlagen und -geräte. Sie sind in ein- und zweistufigen Konfigurationen erhältlich, um die erforderlichen Anforderungen an die EMI-Unterdrückung zu erfüllen. Das einstufige 75-A-Gerät mit Klemmenleisteneingang und -ausgang hat beispielsweise die folgende Gleichtakt- und Differenzialeinfügedämpfung in dB (Abbildung 7):

Abbildung 7: Die Gleichtakt- und Differenzialeinfügedämpfung (in dB) von 0,01 bis 30 MHz für einen einstufigen 75-A-Filter der Baureihe Corcom AHV ist hoch. (Quelle: TE Connectivity)

Im Gegensatz dazu weist das entsprechende zweistufige 75-A-Gerät eine etwas höhere Dämpfung für beide Modi über alle Frequenzen auf (Abbildung 8).

Abbildung 8: Wenn die Dämpfung eines einstufigen Geräts für das System oder die gesetzlichen Vorschriften nicht ausreicht, fügt das zweistufige Gerät weitere 10 bis 20 dB über das gleiche Frequenzspektrum hinzu. (Quelle: TE Connectivity)

Fazit

Auch wenn die größeren Funktionsblöcke eines Batteriespeichers oder eines kleineren Systems von entscheidender Bedeutung sind, müssen Entwickler auch bei der Auswahl passiver, weniger sichtbarer Komponenten wie Schaltschütze, EMI-Filter und sogar Steckverbinder sorgfältig vorgehen. Die Auswahl von Bauelementen, die nicht die erforderlichen Nennwerte oder mechanische oder elektrische, mechanische oder umweltbedingte Robustheit aufweisen, führt zu unmittelbaren Leistungsmängeln, Problemen mit der Zulassung sowie kurz- und längerfristigen Zuverlässigkeitsproblemen. TE Connectivity bietet ein umfassendes Produktsortiment mit einer großen Auswahl an Spezifikationen und Formfaktoren, mit denen diese Anforderungen erfüllt und die großen und kleinen Bauelemente für erfolgreiche Systeme zur Energiespeicherung und -bereitstellung ergänzt werden können.

Autor

Bill Schweber schreibt Fachbeiträge für Mouser Electronics und ist Elektronikingenieur. Er hat drei Lehrbücher über elektronische Kommunikationssysteme sowie Hunderte von technischen Artikeln, Kolumnen und Produktberichten verfasst. In der Vergangenheit arbeitete er als technischer Website-Manager für mehrere themenspezifische Websites für EE Times und als Executive Editor und Analog Editor bei EDN.

Er hat einen MSEE-Abschluss von der University of Massachusetts und einen BSEE-Abschluss von der Columbia University, ist ein Registered Professional Engineer und besitzt eine Advanced Class Amateurfunk-Lizenz. Bill hat außerdem Online-Kurse zu einer Vielzahl von technischen Themen geplant, verfasst und präsentiert, darunter zu MOSFET-Grundlagen, ADC-Auswahl und die Ansteuerung von LEDs.