Cómo garantizar la seguridad y la eficiencia de las implementaciones de BESS modulares utilizando conectores de polos de baterías enchufables

El uso de sistemas modulares de almacenamiento de energía en baterías (BESS) está creciendo en instalaciones residenciales, industriales y de servicios públicos. Compuestos por múltiples módulos de baterías interconectados, los BESS proporcionan energía de reserva si la red principal falla, regulan los picos de uso de energía en entornos industriales y apoyan la integración en la red de fuentes de energía renovables como la eólica y la solar. Aunque su arquitectura modular simplifica la instalación, permite la escalabilidad y facilita la sustitución eficaz de los módulos de batería desgastados, los diseñadores deben tener especial cuidado con la elección de los conectores de los polos de la batería.

Además de cumplir las normas de seguridad y rendimiento más recientes, así como de ser resistentes y rentables, los diseñadores deben tener en cuenta la flexibilidad de los conectores en cuanto a su orientación y la capacidad de soportar múltiples ciclos de inserción/retirada, manteniendo al mismo tiempo una resistencia de contacto eléctrica mínima para evitar el sobrecalentamiento. Además, para garantizar la seguridad del usuario, características como la protección contra la inversión de la polaridad y el hecho de ser totalmente resistente al tacto deben figurar en la lista de requisitos.

Este artículo trata de los problemas asociados a la conectividad de los módulos BESS. A continuación, presenta y muestra cómo aplicar una línea de conectores de polos de batería enchufables de Phoenix Contact que están diseñados para aplicaciones BESS.

Requisitos de rendimiento para los conectores de los polos de la batería

Las expectativas de rendimiento de los conectores de polos de batería varían entre las aplicaciones residenciales, comerciales y de servicios públicos (Tabla 1). Aunque la seguridad es una prioridad para todos, las instalaciones residenciales se benefician de un alto nivel de flexibilidad. Las consideraciones de mantenimiento son importantes en los diseños de BESS comerciales. Las instalaciones de BESS a escala de servicios públicos hacen menos hincapié en la flexibilidad, pero son la aplicación más exigente en general, con la expectativa de una instalación rápida (poco tiempo de trabajo), alta seguridad, baja tasa de fallos, bajo costo y mantenimiento eficiente. La selección de la solución de conectividad adecuada es fundamental para satisfacer las distintas exigencias de rendimiento.

Tabla 1: Las diferentes aplicaciones tienen diferentes requisitos para el rendimiento de los conectores BESS. El conector de polos de batería adecuado puede satisfacer las demandas de las tres categorías de aplicaciones. (Fuente de la imagen: Phoenix Contact)

Los conjuntos de cables con terminales son un método común para conectar los módulos de baterías en un BESS (Figura 1). Los conectores de orejas son relativamente asequibles, pero tienen varias desventajas cuando se utilizan en una instalación BESS:

• Sufren una escasa estandarización y carecen de flexibilidad de aplicación
• Conectar y apretar manualmente las tuercas de cada conector es un proceso que requiere mucho tiempo y puede dar lugar a errores de cableado
• Si las tuercas no están bien apretadas, la conexión puede tener una gran resistencia y provocar un sobrecalentamiento
• Los conectores no están protegidos del entorno; cuando se utilizan en recintos exteriores, la fiabilidad de los conectores puede verse reducida por la exposición al polvo o a chorros de agua a baja presión, así como por la condensación y las salpicaduras de agua
• Los conectores no son seguros al tacto y no cumplen las normas de seguridad actuales, lo que supone un riesgo potencial de descarga para los instaladores y el personal de mantenimiento

Figura 1: El cableado de un BESS modular con conjuntos de terminales de cable lleva mucho tiempo y es propenso a errores de cableado, y los conectores de terminales no son intrínsecamente seguros al tacto. (Imagen: Phoenix Contact)

Para superar los inconvenientes del uso de conectores de lengüeta, los diseñadores pueden recurrir a los conectores de polos de batería enchufables especialmente diseñados por Phoenix Contact, que cumplen los requisitos de las instalaciones BESS de consumo, comerciales/industriales y de servicios públicos (Figura 2).

Figura 2: Los conectores de polos de baterías enchufables para BESS superan las limitaciones de los conectores de orejetas y satisfacen las exigencias de rendimiento de las instalaciones de consumo, industriales y de servicios públicos. (Fuente de la imagen: Phoenix Contact)

Estos conectores ofrecen una buena accesibilidad y la flexibilidad de conectarse al polo de la batería desde cualquier dirección para una instalación rápida, con una baja resistencia de contacto. Incluyen protección contra la inversión de la polaridad y son totalmente resistentes al tacto para la seguridad del operador. Una carcasa con clasificación IP65 ofrece protección contra la entrada de polvo y contra los chorros de agua a baja presión procedentes de cualquier dirección, además de protección contra la condensación y las salpicaduras de agua.

Los conectores tienen una clasificación de categoría III de sobretensión de la Comisión Electrotécnica Internacional (CEI) y son capaces de soportar tensiones transitorias en instalaciones fijas como los armarios exteriores que albergan los BESS. Tienen una clasificación de grado de contaminación 2 según la norma IEC 60664-1, lo que los hace adecuados para su uso en entornos en los que sólo se produce contaminación no conductora, salvo que ocasionalmente pueda darse una condición de conductividad temporal causada por la condensación.

Los conectores de polos de batería enchufables de Phoenix Contact están codificados por colores y tienen una clave mecánica para evitar el cableado cruzado, y simplemente se pueden enchufar en la toma de corriente con protección táctil, donde encajan y se bloquean en su posición (Figura 3).

Figura 3: Estos conectores de polos de batería enchufables están codificados mecánicamente y por colores para evitar el cableado cruzado. Se oye un "clic" cuando se conectan a la toma de corriente protegida contra el contacto y se bloquean en su posición (Fuente de la imagen: Phoenix Contact)

Para simplificar y agilizar aún más la instalación, los conectores pueden girar hasta 360˚ según sea necesario. El uso de estos conectores de polos para baterías puede ahorrar tres cuartas partes del tiempo típico de instalación necesario en comparación con el uso de conectores de orejetas. Un estante de baterías industrial o comercial típico puede tener entre 10 y 12 módulos, mientras que una instalación BESS a escala de servicios públicos en un contenedor tiene cientos o miles de módulos de baterías. En este tipo de aplicaciones, el tiempo de instalación y el ahorro de costos que supone el uso de conectores de polos de batería especialmente diseñados en comparación con los conectores de orejas es considerable.

Estos conectores de polos de batería enchufables presentan una baja resistencia de contacto y admiten altos niveles de funcionamiento fiable y seguro, incluyendo mecanismos de bloqueo positivo para evitar desconexiones accidentales (Figura 4). Tienen una capacidad nominal de 1500 voltios CC (V_CC), 120 amperios (A), y para más de 100 ciclos de inserción/retirada con una fuerza de inserción ≤ 75 Newtons (N) y una fuerza de retirada de ≥10 N.

Figura 4: Estos conectores de polos de batería enchufables tienen un mecanismo de bloqueo positivo: A la izquierda (A) se muestra el mecanismo de bloqueo/palanca de liberación en su estado bloqueado; en el centro (C) se muestra el par desconectado; esta desconexión se consigue deslizando el mecanismo de bloqueo (derecha, B) hacia la interfaz de acoplamiento. (Fuente de la imagen: Phoenix Contact)

Ejemplos de conectores de batería

El sistema de conectores de polos de batería de Phoenix Contact consiste en pares de conectores de cable y conectores de montaje en panel con contactos plateados, que tienen una resistencia de contacto total de ≤5 miliohmios (mΩ). Los conectores están clasificados según la norma UL 4128, la última norma UL para aplicaciones de baterías. Antes de esta norma, la mayoría de los conectores de baterías se clasificaban utilizando la norma UL 1977, que es una norma más generalizada con una tensión nominal máxima de 1.000 V_CC. Los conectores de polos de batería de Phoenix Contact están clasificados para 1500 V_CC , cumpliendo la norma UL 4128. Además de cumplir la norma UL 4128 más reciente (que se indica a continuación), estos conectores de polos de baterías satisfacen los requisitos de importantes normas internacionales relacionadas con el BESS, entre ellas:

• IEC 61984 - Conectores - Requisitos de seguridad y ensayos
• IEC 62933 - Sistemas de almacenamiento de energía eléctrica (EES)
• IEC 63066 - Conectores de baja tensión para unidades de almacenamiento de energía extraíbles
• UL 9540 - Norma para sistemas y equipos de almacenamiento de energía
• UL 4128 - Esquema de investigación para conectores intercelulares e intercalares para uso en aplicaciones de sistemas de baterías electroquímicas

Los conectores de cable como el 1106307 vienen en negro para los polos negativos, mientras que el conector 1106306 viene en naranja para los polos positivos (Figura 5). Una terminación de engaste en los conectores de cable puede manejar tamaños de cable de 16 milímetros cuadrados (mm²) y 25 mm², con una longitud de pelado de 22 mm. Un mecanismo de bloqueo deslizante evita las desconexiones accidentales.

Figura 5: La mitad del sistema de conectores de polos de la batería se ofrece en color naranja para los polos positivos (imagen superior) y en color negro para los polos negativos. Incluye un mecanismo de bloqueo deslizante (en el lado derecho del conector de arriba) para evitar desconexiones accidentales. (Fuente de la imagen: Phoenix Contact)

Además de cumplir con los requisitos técnicos de los instaladores e integradores de sistemas, los conectores de polos de baterías de montaje en panel ofrecen a los diseñadores de sistemas BESS la flexibilidad de elegir una fijación en barra o en poste de tornillo dentro del sistema (Figura 6). Al igual que los conectores de cable, los conectores de montaje en panel se ofrecen en color naranja para los polos positivos (con una opción de barra colectora, como la 1130816, o fijaciones de tornillo, como la 1106303) y en negro para los polos negativos (con una opción de barra colectora, por ejemplo la 1130814, o fijaciones de tornillo, como la 1106304).

Figura 6: La mitad del conector de polos de la batería de montaje en panel está disponible con opciones de conexión del sistema de barra colectora (izquierda) o poste de tornillo (derecha). (Fuente de la imagen: Phoenix Contact)

Un resumen de las características de rendimiento y las ventajas del sistema de conectores de polos de la batería incluye:

• Tiempo de instalación un 75% más rápido en comparación con los conectores de orejas, reduce el coste de instalación
• Código de colores para identificar la polaridad:
  • Naranja (+) positivo
  • Negro (-) negativo
• Los pares de conectores negros y naranjas tienen interfaces únicas para evitar que se crucen
• El mecanismo de bloqueo positivo evita las desconexiones accidentales
• Los conectores de cable tienen terminaciones de engaste para cables de 16 mm² y 25 mm²
• El sistema de conectores acoplados puede girar 360° para simplificar la instalación
• Clasificado para 100 ciclos de inserción/retirada con una fuerza de inserción ≤75 N y una fuerza de retirada de ≥10 N
• Diseño totalmente a prueba de contacto para la seguridad del operador
• Las carcasas con grado de protección IP65 proporcionan protección ambiental
• Contactos plateados para una resistencia de contacto ≤5 mΩ y una interfaz de conexión fiable
• Clasificación IEC para 120 A y 1500 V_CC
• Rango de temperatura de funcionamiento: -40 °C a +125 °C

Consideraciones sobre el diseño y la aplicación

Para garantizar un funcionamiento seguro y fiable, hay varios factores que los diseñadores e instaladores deben tener en cuenta al utilizar sistemas de conectores de polos de baterías enchufables:

• No conecte o desconecte los conectores bajo carga.
• El conector debe estar completamente enchufado y enclavado antes de recibir energía.
• En funcionamiento normal, el conector estará caliente. En condiciones ambientales de alta temperatura, estos conectores pueden seguir calentándose. Si se prevé que el conector se utilice en condiciones de alta temperatura ambiente, pueden ser necesarias advertencias de quemaduras como las exigidas por la norma DIN EN ISO 13732-1:2008-12.
• Se debe colocar una tapa protectora en los conectores que no se utilicen.
• La carga de tracción en los conectores de un conjunto de cables no puede superar el límite superior de la especificación.

Conclusión:

A medida que se acelera el despliegue de los sistemas BESS para garantizar la fiabilidad de la energía y adaptarse a las fuentes de energía renovables, los diseñadores deben prestar más atención a los requisitos de los conectores de los polos de las baterías para estos sistemas de baterías modulares. Mediante el uso de conectores de polos de baterías enchufables, los diseñadores pueden cumplir con los requisitos básicos de seguridad y rendimiento, al tiempo que apoyan los requisitos de fiabilidad, escalabilidad, mantenimiento, medio ambiente y coste de las instalaciones BESS residenciales, comerciales/industriales y de servicios públicos.

Lectura recomendada

1. BESS: Una solución para gestionar la energía de forma proactiva