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Fokus • Energiespeicher Automobil-Batteriemanagement hat sie das bereits praxiserprobte IVT-Sensormodul zur Strom-, Spannungs- und Temperaturmessung für den Einsatz in Speichersystemen für regenerative Energiesysteme weiterentwickelt. Unter dem Namen »IVT Modular« ist das Sensorsystem nun mit frei konfigurierbaren Modulen erhältlich. »Mit dem IVT Modular lassen sich die physikalischen Größen Strom und Spannung exakt ermitteln«, erläutert Jens Hartman, Sales Director ISAscale bei Isabellenhütte. Diese Messwerte sind wichtig, damit der Energiefluss in der Batterie kontrolliert erfolgen kann, die Ladezeiten und -zyklen optimiert werden können und sich somit schließlich die Lebensdauer der Batterie verlängert. »Für zukunftsfähige Energiespeicher, wie sie für die geplante Energiewende in Deutschland benötigt werden, sind diese Faktoren elementar.« Langzeitstabil dank Shunt-Technologie Der für die Messwerterfassung eingesetzte Sensor basiert auf der Shunt-Technologie. Shunts oder so genannte Strommesswiderstände werden in der Batterieüberwachung bevorzugt eingesetzt, denn sie arbeiten über den gesamten potentiell auftretenden Temperaturbereich und unter allen Umgebungsbedingungen sehr genau. Bedingt durch extrem niedrige Widerstandswerte zwischen 5 und 300 μOhm fällt die Verlustleistung gering aus. »Widerstände haben normalerweise die Eigenschaft, dass sie über einen Temperaturbereich driften«, verdeutlicht Hartmann. »Die Shunts der Isabellenhütte sind bei Temperaturen von –40 °C bis +125 °C nahezu driftfrei und damit von Temperatureinflüssen annähernd unabhängig.« Darüber hinaus verfügt das IVT Modular über eine hohe Überstrom- und Überspannungsfestigkeit, eine hohe Langzeitstabilität, einen stabilen mechanischen Aufbau und einen niedrigen inneren elektrischen Widerstand. 0,1 Prozent Messgenauigkeit Bei Lithium-Ionen-Batterien reicht der Spannungsbereich bis zu 800 V. Der Strombereich variiert von 600 bis 800 A in Energiespeichersystemen für Wohnhaus- Solaranlagen und bis zu 2,5 kA in Großspeichersystemen für Industrieunternehmen. Das Messmodul der Isabellenhütte ist nun in der Lage, Ströme und Spannungen dieser Bandbreite mit einer initialen Genauigkeit von 0,1 Prozent zu messen – in den Datenblättern als Initial Error bezeichnet, als maximaler Fehler von 0,1 Prozent bezogen auf den gelesenen Wert (»of Reading«). Dazu Jens Hartmann: »Produkte anderer Messverfahren, die nicht über die kompakte Bauweise des IVT verfügen, messen vergleichsweise höchstens mit einer Genauigkeit von 1 Prozent.« Das IVT Modular ist als kleinstmögliche Baugröße konstruiert, die dennoch alle Funktionen abdeckt: In der galvanisch getrennten Version misst das Modul 84 mm x 86 mm (inklusive Gehäuse und Shunt), in der nicht galvanisch getrennten Variante 84 mm x 63. Individuelle Konfiguration Die modulare Bauweise des IVT Modular ermöglicht Energiespeicher-Herstellern eine relativ große Flexibilität entsprechend ihrer jeweiligen spezifischen Anforderungen: Der Kunde wählt aus den Komponenten Isolation, Überspannungserkennung, Hardware- und Software-Trigger, Strommessbereich, Spannungsmesskanäle, Schnittstellen sowie Eingangsspannung aus. Hinsichtlich der Eingangsspannung gibt es das IVT Modular mit geregelter Versorgung (5 V) oder mit ungeregelter Versorgung (5 bis 12 V oder 7 bis 60 V). Für hohe Spannungen bis 800 V kann der Kunde sein IVT Modular mit galvanisch getrennter Isolation bestellen. Optional ist eine Überspannungserkennung für positive oder negative Ströme vorhanden, die beispielsweise beim Laden oder Entladen der Batterien fließen. Der Schwellwert und eine Hysterese sind über die Software einstellbar. Ebenso wählbar ist ein Hardware Trigger – ein extra Port/Pin, der einen Start der Messreihen durch einen externen Auslöser ermöglicht. Über einen separaten Steckverbinder können mehrere Sensoren in verschiedenen Topologien aufgebaut und gleichzeitig getriggert werden. Ein zusätzlicher Software Trigger ist Bestandteil der internen Software und in jedem Modul implementiert. Es stehen fünf im Strommessbereich abgestufte Module zur Auswahl, wobei sich die Dauerstrom-Messbereiche qualitativ in der Auflösung unterscheiden: Strom messbereich Auflösung ± 100 A 4 mA ± 300 A 10 mA ± 500 A 27 mA ± 1000 A 47 mA ± 2500 A 186 mA Der IVT Modular verfügt über bis zu drei Spannungsmesskanäle pro Sensor. Jeder Kanal besitzt einen Spannungsteiler, damit er einen Messbereich bis 800 V zur Verfügung hat. Die drei Spannungseingänge sind so konfigurierbar, dass sie drei weitere Punkte im System überwachen können. Für die digitale Kommunikation gibt es optional eine CAN- oder eine SPI- Schnittstelle, wobei die CAN-Variante aufgrund der erheblich höheren Störfestigkeit bevorzugt verwendet wird. Die SPI- Schnittstelle empfiehlt sich hauptsächlich für Anwendungen mit kurzen Kommunikationsstrecken. Zusätzlich zu den wählbaren Modulen verfügt das IVT Modular auch über Features wie eine Diagnose oder einen Bootloader. Mit Hilfe des Bootloaders kann der Anwender eine neue Firmware aufspielen, etwa um neue Funktionen zu aktivieren. Die Diagnose gibt Auskunft über den Einsatz des Sensors: Der Sensor speichert während seines Einsatzes Werte wie maximale Spannung, Strom, Temperatur sowie die Betriebsstunden, die für statistische Auswertungen genutzt werden können. (nw) 32 Energie & Technik 4/2013
■ Batterie-Managementsysteme in PV-Anlagen Funktionale Sicherheit bestimmt das Anforderungsprofil und den Lösungsansatz Batteriebasierende Speichersysteme sind ein wichtiger Bestandteil in der Umsetzung der Energiewende. Rutronik hat in Zusammenarbeit mit Hochschulen umfangreiche Studien zu deren Marktpotenzial erarbeitet, die unterschiedlichen Batterietechnologien analysiert und daraus das Anforderungsprofil und die Lösungsansätze für Batterie-Management-Systeme (BMS) und deren elektronischen Bauelemente definiert. Autoren: Philipp Mai und Andreas Mangler Jede Batterietechnologie hat ihre Stärken und Schwächen. So ist zum Beispiel die Lithium-Ionen Batterie in den Bereichen Energie- und Leistungsdichte sowie Wirkungsgrad führend. Metal-Air-Batterien sind hinsichtlich der Kosten attraktiv, die Vanadium-Redox-Batterie punktet hingegen mit langer Lebensdauer, genau wie die NaS-Batterie. Anforderungen und Einflussfaktoren an ein BMS für PV-Management Die physikalischen Einflussfaktoren (z.B. Lade-/Entladezyklen, Spitzenströme, Temperaturzyklen Sommer/Winter-Betrieb) auf ein BMS für Batterien in PV- Anlagen unterscheiden sich deutlich von denen in der Elektromobilität. Beispielsweise ist der äußere Temperatureinfluss bei einer Installation im Innern eines Gebäudes unter Umständen komplett zu vernachlässigen, weil von konstanter Umgebungstemperatur im idealen Arbeitsbereich ausgegangen werden kann. Hier dominiert der Wirtschaftlichkeitsaspekt: _06K4O_Udomi_ET_06.pdf;S: 1;Format:(90.00 x 125.00 mm);15. Sep 2011 06:50:55 Für PV-Systeme war bisher nur die Bleisäure-Batterie verfügbar. Sie wird aufgrund der geringen Kosten auch weiterhin in kleinen und günstigen Anlagen zum Einsatz kommen, aber auf absehbare Zeit von der Lithium-Ionen-Batterie verdrängt werden. Mit dem Fortschritt der Lithium-Ionen-Batterie drängt diese zunehmend in den Photovoltaik-Markt und wird ihn in den kommenden Jahren bestimmen. Eine interessante Alternative bietet derzeit nur die NaS-Batterie – ein umfassendes Thermomanagement vorausgesetzt. Sie ist in zahlreichen Speicherkraftwerken weltweit im Einsatz, doch ihre Verwendung im privaten Bereich wird von den Herstellern nicht gefördert. Ob die Vanadium-Redox- Batterie mit ihrer geringen Energiedichte gegen die NaS-Batterie oder Lithium-Ionen-Batterie eine Marktchance hat, ist fraglich. Metal-Air-Batterien sind hingegen noch weit von einer Marktreife entfernt, bieten jedoch eine interessante Zukunftsperspektive. 4/2013 Energie & Technik 33
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