Zirkulation von Energiespeicherbatterien zwischen Clustern: Ursachen und Gegenmaßnahmen

I. Was ist Schleifenstrom?

Der Begriff „Schleifenstrom“ beschreibt typischerweise den Stromfluss in einem geschlossenen Stromkreis. In elektrischen Schaltungen bezeichnet er die innerhalb eines geschlossenen Stromkreises gebildete Stromschleife.

Spannungs-Strom-Schleife (VCL) Der Begriff „Schleifenstrom“ ist ein Konzept der Netzanalyse, das die Wechselwirkung von Spannung und Strom in einem Stromnetz beschreibt. Genauer gesagt bezeichnet er den Stromfluss in einem geschlossenen Stromkreis aufgrund der Wechselwirkung von Spannung und Strom. Dieser Schleifenstrom kann die Stabilität und Effizienz des Stromnetzes beeinflussen.

Die korrekte Steuerung von Schleifenströmen ist für den Betrieb von Stromversorgungssystemen von entscheidender Bedeutung, da sie Effizienz, Stabilität und Sicherheit beeinflusst. Durch geeignete Auslegungs- und Regelungsstrategien lassen sich unnötige Schleifenströme minimieren und somit die Betriebseffizienz des Stromversorgungssystems steigern.

Intercluster-Schleifenstrom In einem Energiespeichergehäuse kann es zu Kurzschlüssen kommen, wenn mehrere Cluster parallel geschaltet sind und Spannungsschwankungen oder ein unterschiedlicher Innenwiderstand dazu führen, dass Strom zwischen den Clustern anstatt zur Last oder zum Stromnetz fließt. Dieses Phänomen kann Energieverluste, erhöhte Wärmeentwicklung, beschleunigte Batteriealterung und potenzielle Sicherheitsrisiken zur Folge haben. Im Folgenden werden die Ursachen und Gegenmaßnahmen für dieses Problem erläutert.

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II. Verständnis des Stromphänomens in Energiespeicherschleifen

1. Spannungsungleichheit zwischen Batteriegruppen
   Werden Batteriecluster direkt parallel geschaltet, können Spannungsschwankungen Schleifenströme erzeugen. Diese Ströme führen dazu, dass Energie zwischen den Clustern übertragen wird, anstatt zu externen Verbrauchern zu fließen.
2. Unterschiede im Innenwiderstand
   Abweichungen im Innenwiderstand zwischen den Clustern können dazu führen, dass der Strom bevorzugt durch Cluster mit geringerem Widerstand fließt, was zu Schleifenströmen führt. Dies kann Wärmeentwicklung und beschleunigte Batteriealterung zur Folge haben.
3. Verlust der nutzbaren Kapazität
   Schleifenströme verhindern das vollständige Laden und Entladen von Batterieclustern, was zu Kapazitätsverlusten, Temperaturanstiegen und beschleunigter Batteriealterung führt. Dadurch verringert sich die insgesamt nutzbare Kapazität des Batteriesystems.

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III. Gegenmaßnahmen

1. Dezentrale Energiespeichertechnologie
   Jeder Batteriecluster ist einzeln in Reihe mit einem Energiespeicherwandler geschaltet. Mehrere Wandler sind auf der Wechselstromseite parallelgeschaltet, nicht auf der Gleichstromseite. Dadurch werden Schleifenströme zwischen den Clustern vermieden und eine individuelle Clusterverwaltung bzw. Fehlerisolierung ermöglicht.
2. Dezentrale Energiespeichertechnologie
   Die einzelnen Batteriegruppen sind auf der Gleichstromseite parallel geschaltet, nachdem ein Gleichstromwandler (DC/DC) für eine gleichmäßige Spannung gesorgt hat. Dieses Verfahren beseitigt Schleifenströme, die durch Spannungsunterschiede zwischen den Gruppen entstehen.
3. String-Energiespeichertechnologie
   Ähnlich dem dezentralen Ansatz wird die Gleichstromkonvergenz jedoch durch mehrere Umrichter mit geringerer Kapazität anstelle eines einzelnen großen Umrichters erreicht. Dadurch wird der Einfluss eines einzelnen Umrichterausfalls auf das Gesamtsystem reduziert.
4. Hochspannungs-Kaskaden-Direkthängeversion
   Jede Energiespeichereinheit besteht aus H-Brücken und unabhängigen kleinen Batteriestapeln. Mehrere Einheiten sind in Reihe geschaltet, um eine bestimmte Spannung für den direkten Anschluss an das Wechselstromnetz zu erreichen. Dieses Verfahren vermeidet Parallelschaltungen zwischen den Clustern und verhindert somit Schleifenströme.
5. Batteriemanagementsystem (BMS)
   Ein Batteriemanagementsystem (BMS) kann Spannung und Strom in Batterieclustern präzise steuern, wodurch Schleifenströme reduziert und die Clusterkonsistenz verbessert werden.
6. Wärmemanagement
   Durch die Implementierung eines effektiven Wärmemanagementsystems wird eine gleichmäßige Temperaturverteilung zwischen den Clustern sichergestellt und die durch Temperaturunterschiede verursachten Schleifenströme werden minimiert.
7. Brandschutzsystem
   Die Auslegung eines Brandschutzsystems mit einzelnen Clustern als kleinster Steuer- und Isolationseinheit ermöglicht die schnelle Isolierung fehlerhafter Bereiche und reduziert so die Auswirkungen von Unfällen.

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IV. Intercluster-Schleifenstrom in Energiespeicherbatterieclustern

Der Interclusterstrom bezeichnet den Stromfluss zwischen Batterieclustern. In jedem Cluster von in Reihe geschalteten Akkupacks können bereits geringfügige Unterschiede im Zellinnenwiderstand zu Lade- und Entladeungleichgewichten und damit zu Interclusterströmen führen. Diese Ströme stören das Batteriegleichgewicht, verkürzen die Batterielebensdauer und können Schäden verursachen, weshalb sie ein kritisches Problem darstellen.

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V. Ursachen des Schleifenstroms zwischen Clustern

1. Inkonsistenz einzelner Zellen
   Schwankungen im Innenwiderstand einzelner Zellen sind eine Hauptursache für Schleifenströme zwischen Clustern. Diese Unregelmäßigkeiten führen zu Ungleichgewichten beim Laden und Entladen, was wiederum Schleifenströme zur Folge hat.
2. Großbatteriesysteme
   In 1500-V-Systemen mit einem einzigen Cluster besteht ein Cluster typischerweise aus 416 in Reihe geschalteten Zellen, wobei vorgefertigte Kompartimente 9 oder 12 Cluster enthalten. Aufgrund der großen Anzahl an Zellen ist es unerlässlich, diese während der Fertigung zu prüfen und aufeinander abzustimmen, um eine gleichbleibende Qualität zu gewährleisten.

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VI. Gegenmaßnahmen gegen Schleifenströme zwischen Clustern

1. Zellabgleich
   Um eine gleichbleibende Qualität zu gewährleisten, werden die Zellen während der Herstellung streng sortiert und gruppiert.
2. Aktive Entzerrung
   Verwenden Sie ein BMS für den dynamischen Batterieausgleich, um Spannungsdifferenzen zwischen den Zellen zu reduzieren und dadurch die Schleifenströme zu minimieren (wobei der Effekt jedoch begrenzt sein kann).
3. Schaltungseinstellung
   Passen Sie das Systemschaltungsdesign an, um Parallelschaltungen zwischen Batterieclustern zu vermeiden, oder optimieren Sie die BMS-Logik, um Schleifenströme zu reduzieren.
   • 3.1 Integration des Gleichstromtransformators (DC/DC)
     Um eine gleichmäßige Spannung vor der Parallelschaltung auf der Gleichstromseite zu gewährleisten, wird jeder Batteriecluster über einen Gleichstromtransformator angeschlossen. Dies beseitigt spannungsbedingte Schleifenströme, erhöht jedoch die Bauteilkosten und die Energieverluste.
   • 3.2 Optimierung der Leistungslogik
     Ausgleich der Schleifenströme zwischen Clustern durch Optimierung der Logik für die Stromverteilung.
4. Vorladewiderstand zur Strombegrenzung
   Verwenden Sie Vorladewiderstände im Hochspannungskasten des Batterieclusters zum Ausgleich der Schleifenströme. Diese Widerstände schützen den Haupt-Pluspol vor hohen Stromspitzen und tragen zum Ausgleich der Schleifenströme zwischen den Clustern bei.