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Energiespeicher: Steckverbinder machen modulare Systeme erst möglich. Bild: Phoenix Contact
Energieverteilung & -speicherung

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Laden leicht gemacht

Text: Bernd Horrmeyer, Phoenix Contact
Steckverbinder müssen universell, anwenderfreundlich und sicher sein. Das gilt auch für modulare Batteriespeicher. Sie werden immer beliebter, sind aber noch nicht normiert. Welche Anforderungen sollte ein geeignetes System erfüllen?

Ob in der Elektromobilität, für mobile Werkzeuge und Maschinen oder zur Stabilisierung des Stromnetzes – modulare Batteriespeicher gewinnen zunehmend an Bedeutung. Entscheidend für das einfache Tauschen und Laden ist ein ganz bestimmtes Bauteil: der Steckverbinder. Denn die meisten Batteriezellen – vornehmlich Lithium-Ionen-Akkus – sind noch immer fest im Gerät verbaut und werden darin von Zeit zu Zeit an ein passendes Ladegerät angeschlossen. Soweit so gut. Unangenehm wird es aber, wenn das benötigte Gerät während des Ladevorgangs nicht zur Verfügung steht, oder der Anschluss nicht ohne weiteres möglich ist.

Es sind Gründe wie diese, die das Konzept des modularen Batteriespeichers auf den Plan rufen und in der Praxis immer beliebter machen. Das Interesse ist jedenfalls groß, etwa bei der Elektromobilität die Standzeit der Fahrzeuge zu verkürzen. So können beispielsweise Busse ihren Linienbetrieb nahezu ohne Verzögerung fortsetzen oder Zweiradfahrer ihr Batteriemodul mit in die Wohnung nehmen, um es dort bequem und ohne Diebstahlrisiko zu laden. Aber auch Maschinen- und Werkzeugbedienern kommen derlei Vorteile zugute, insbesondere, wenn Arbeitsmaschinen sequentiell in mehreren Schichten eingesetzt werden oder Werkzeuge für eine bessere Handhabung kabellos gestaltet sein sollen.

Stabilisierung des Stromnetzes

Darüber hinaus leisten austauschbare Batteriespeicher im Hinblick auf die Energiewende einen zentralen Beitrag zur Stabilisierung des Stromnetzes, indem sie regenerativ erzeugte Elektrizität zwischenspeichern. In Häusern mit Photovoltaik-Anlage sind sie immer häufiger anzutreffen, aber auch in weitaus größeren Anlagen an geeigneten Stellen des Stromnetzes. Auch hier lassen sich die Module bequem austauschen. Darüber hinaus sind die Anlagen jederzeit erweiterbar und können dem technischen Fortschritt der Batterietechnik besser folgen.

Doch zurück zum Stecker: Batteriespeichersysteme sind so aufgebaut, dass alle Zellen in einem oder mehreren Batteriemodulen zusammengefasst sind. Das Batteriemodul selbst bildet sowohl eine mechanische als auch eine elek­trische und kommunikationstechnische Schnittstelle. Um es aufzunehmen und zu verriegeln, besitzen die jeweiligen Fahrzeuge, Maschinen, Werkzeuge und stationären Anlagen ein Batteriefach, in welches die typischerweise steckbar ausgelegten Module zur Verbindung mit dem elektrischen System eingeführt werden (siehe Abbildung oben). Je nach Ausführung der Aufnahme lassen sich dann wenige bis mehrere hundert Ampere und/oder Volt übertragen.

Im Vergleich zu den gängigen Steckverbindern müssen für Batteriemodule geeignete Ausführungen spezielle Anforderungen erfüllen. Weil der Nutzer nicht den Steckverbinder selbst, sondern das komplette Batteriemodul in die Aufnahme schiebt, kann er die ineinander führende Position der Kontakte haptisch nicht erfassen. Ähnlich verhält es sich bei besonders großen und schweren Batteriemodulen, die mit Hilfe eines so genannten Manipulators bewegt werden, der mitunter zu einer speziellen Fördereinrichtung gehört. Erschwerend wirken ferner Umwelteinflüsse, Schock- oder Vibrationsbelastungen, beispielsweise während der Fahrt oder eines Produktionsprozesses.

In den oben beschriebenen Fällen sind sowohl Batteriemodule als auch Aufnahmefächer entsprechend mit Toleranzen behaftet. Die mechanische Konstruktion ist deshalb immer mit einem Spiel ausgestattet, so dass beim Einführen des Batteriemoduls die Kontakte nicht zueinander fluchten. Stattdessen bewegen sie sich innerhalb des vorgesehenen Spiels orthogonal außerhalb der Sollposition.

Bei Einschubsystemen mit Zwangsführung und per Manipulator gesteckten Batteriemodulen lässt sich die Positionsabweichung freilich nicht korrigieren. Gängige Steckverbinder brauchen derartige Vorrichtungen nicht, denn hier nimmt der Bediener die notwen­dige Positionskorrektur vor. Wo aber die dafür notwendige haptische Rückmeldung nicht möglich ist, sind spezielle Anschlüsse gefragt. In diesen Fällen sorgen geeignete Konstruktionen dafür, dass versatzbehaftet aufeinandertreffende Steckverbinder ihre Position entsprechend zielführend ändern (siehe Abbildung auf Seite 30).

Kleine Ströme sind erlaubt

Weil die Batteriemodule zwecks höherer Netzspannung häufig mehrere in Reihe geschaltete Zellen beinhalten, können mitunter berührgefährliche Spannungen auftreten. Um Personen davor zu schützen, gibt es mehrere Möglichkeiten. Eine davon: die elektrischen Kreise innerhalb des Moduls mittels Steuerkontakten im Steckverbinder zu trennen, sobald dieser gezogen wird. In Verbindung mit einer elektrischen Schaltung kann durch diesen Ansatz ­keine berührgefährliche Spannung aus dem Innern des Moduls an den Kontakten des Steckverbinders auftreten. Alternativ lassen sich auch Stifte am Steckverbinder selbst sowie die zugehörigen Buchsen berührgeschützt gestalten. Dieser Lösungsweg eignet sich allerdings nur für kleinere Stromstärken. Schließlich darf der Durchmesser der Kontakte nicht so groß werden, dass ein Finger die Metalle berühren kann. Kommt dieses Vorgehen nicht in Frage, muss der Anlagenzugang baulich beschränkt oder die spannungsführenden Teile außer Reichweite gelegt werden. Darüber hinaus ist sicherzustellen, dass Bedienung und Überwachung nur durch elektrotechnisch unterwiesenes oder ausgebildetes Personal erfolgen.

Welche Schutzmaßnahme jeweils zulässig und sinnvoll ist, sollte im Dialog zwischen Batteriemodul- und Steckverbinder-Hersteller ermittelt werden.

Wer in den einschlägigen Dokumenten nach speziellen Eigenschaften und Anforderungen an Batteriesteckverbinder sucht, hat bislang wenig Glück. Um dies schnellstmöglich zu ändern, wird aktuell jedoch unter Führung von Phoenix Contact im Normungsprojekt IEC 60309-6 an den grundlegenden Aspekten für diese Art von Steckverbindern gearbeitet. Das Ziel: Die Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit dieser Steckverbinder zu prüfen und zu beschreiben. Das wird erreicht mittels Definitionen, Charakterisierungen, Anforderungen zur elektrischen Sicherheit sowie speziellen Tests, die alle möglichen Kombinationen von Versatzsituationen berücksichtigen.

Mithilfe speziell konzipierter und qualitativ hochwertiger Steckverbinder lassen sich die vielfältigen Aufgaben von modularen Batteriespeichern schon heute einfach und sicher erfüllen. Weil das Leistungsspektrum erfahrener Anbieter wie Phoenix Contact dabei weit über den aktuellen Normierungsstand hinausgeht, können Anwender auch langfristig die zuverlässige Funktion modularer Batteriespeicher sicherstellen.

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