Como garantir implantações BESS modulares, seguras e eficientes usando conectores de polos de bateria plugáveis

O uso de sistemas modulares de armazenamento de energia por bateria (BESSs) está crescendo em instalações residenciais, industriais e em escala de utilização. Compreendendo vários módulos de bateria interconectados, os BESSs fornecem energia de reserva se a rede principal falhar, regulam o uso da energia de pico em ambientes industriais e suportam a integração da rede de fontes de energia renováveis, tais como eólica e solar. Enquanto sua arquitetura modular simplifica a instalação, permite a escalabilidade e suporta a substituição eficiente de módulos de bateria desgastados, os projetistas precisam ser particularmente cuidadosos com sua escolha de conectores de polos de bateria.

Além de atender aos mais recentes padrões de segurança e desempenho, além de serem robustos e econômicos, os projetistas precisam considerar a flexibilidade do conector para orientação e a capacidade de suportar múltiplos ciclos de inserção/retirada, enquanto mantêm uma resistência mínima de contato elétrico para evitar o superaquecimento. Além disso, para garantir a segurança do usuário, características como a proteção contra inversão de polaridade e ser totalmente à prova de toque devem constar da lista de verificação de requisitos.

Este artigo discute as questões associadas com a conectividade do módulo BESS. Em seguida, apresenta e mostra como aplicar uma linha de conectores de polos de bateria plugáveis da Phoenix Contact que são projetados para aplicações BESS.

Requisitos de desempenho para conectores de polos de bateria

As expectativas de desempenho para conectores de polos de bateria variam entre aplicações residenciais, comerciais e utilitárias (Tabela 1). Embora a segurança seja uma prioridade para todos, as instalações residenciais se beneficiam de altos níveis de flexibilidade. As considerações de manutenção são importantes nos projetos comerciais de BESS. As instalações BESS em escala de utilização dão menos ênfase à flexibilidade, mas são as aplicações mais exigentes em geral, com a expectativa de instalação rápida (pouco tempo de mão-de-obra), alta segurança, baixos índices de falhas, baixo custo e manutenção eficiente. A seleção da solução correta de conectividade é fundamental para atender às diferentes demandas de desempenho.

Tabela 1: Diferentes aplicações têm requisitos variados para o desempenho do conector BESS. O conector certo do polo de bateria pode atender às exigências de todas as três categorias de aplicação. (Fonte da imagem: Phoenix Contact)

Os conjuntos de fiação com terminal olhal para cabos são um método comum para conectar os módulos de bateria em um BESS (Figura 1). Os conectores de olhal são relativamente baratos, mas têm várias desvantagens quando utilizados em uma instalação BESS:

• Sofrem de má padronização e não têm flexibilidade de aplicação
• Conectar e apertar manualmente as porcas em cada conector de olhal é um processo demorado e pode estar propenso a erros na fiação
• Se as porcas não forem corretamente apertadas, a conexão pode ter uma alta resistência, resultando em superaquecimento
• Os conectores de olhal não são protegidos do meio ambiente; quando utilizados em gabinetes ao ar livre, a confiabilidade dos conectores de olhal pode ser reduzida pela exposição ao pó ou a jatos de água de baixa pressão, bem como pela condensação e pulverização de água
• Os conectores de olhal não são seguros ao toque e não cumprem as normas de segurança atuais, apresentando um risco potencial de choque para instaladores e pessoal de manutenção

Figura 1: A fiação de um BESS modular com conjuntos de conectores de olhal para cabos é demorada e propensa a erros de fiação, e os conectores de cabos não são intrinsecamente seguros ao toque. (Imagem: Phoenix Contact)

Para superar os inconvenientes do uso de conectores de olhal, os projetistas podem recorrer a conectores de polos de bateria plugáveis especialmente projetados da Phoenix Contact, para atender às exigências de instalações BESS de consumo, comerciais/industriais e utilitárias (Figura 2).

Figura 2: Conectores de polos de bateria plugáveis para BESS superam as limitações de conectores de olhal e atendem às exigências de desempenho de instalações de consumo, industriais e utilitárias. (Fonte da imagem: Phoenix Contact)

Estes conectores oferecem boa acessibilidade e a flexibilidade de conexão ao polo de bateria de qualquer direção para uma instalação rápida, com baixa resistência de contato. Eles incluem proteção contra inversão de polaridade e são totalmente à prova de toque para a segurança do operador. Uma capa com classificação IP65 oferece proteção contra a entrada de poeira e contra jatos de água de baixa pressão de qualquer direção, além de proteção contra condensação e pulverização de água.

Os conectores têm uma classificação de sobretensão de categoria III da Comissão Eletrotécnica Internacional (IEC) e são capazes de suportar tensões transitórias em instalações fixas, tais como armários ao ar livre que abrigam BESSs. Eles têm um grau de poluição IEC 60664-1 de 2, tornando-os adequados para uso em ambientes onde ocorre apenas poluição não condutora, exceto que ocasionalmente pode ocorrer uma condição de condutividade temporária causada pela condensação.

Os conectores de polos de bateria plugáveis da Phoenix Contact são codificados por cores e polarizados mecanicamente para evitar fiação cruzada e podem ser simplesmente plugados no soquete com proteção de toque, onde eles clicam no lugar e travam na posição (Figura 3).

Figura 3: Estes conectores de polos de bateria plugáveis são polarizados mecanicamente e codificados por cores para evitar a fiação cruzada. Um "clique" é ouvido quando eles se conectam ao soquete com proteção de toque e travam na posição. (Fonte da imagem: Phoenix Contact)

Simplificando e acelerando ainda mais a instalação, os conectores podem ser girados até 360˚ conforme a necessidade. O uso desses conectores de polos de bateria pode economizar três quartos do tempo típico de instalação necessário quando comparado com o uso de conectores de olhal. Um rack típico de bateria industrial ou comercial pode ter de 10 a 12 módulos, enquanto uma instalação BESS em escala de utilização em um contêiner tem centenas ou milhares de módulos de bateria. Em tais aplicações, o tempo de instalação e a economia de custos decorrentes do uso de conectores de polos de bateria especialmente projetados, em comparação com os conectores de olhal, é substancial.

Estes conectores de polos de bateria plugáveis apresentam baixa resistência de contato e suportam altos níveis de operação confiável e segura, incluindo mecanismos de travamento positivo para evitar desconexões acidentais (Figura 4). São dimensionados para 1500 volts CC (V_CC), 120 amperes (A), e para mais de 100 ciclos de inserção/retirada com uma força de inserção ≤ 75 newtons (N) e uma força de retirada ≥10 N.

Figura 4: Estes conectores de polos de bateria plugáveis têm um mecanismo de travamento positivo: À esquerda (A) o mecanismo de travamento/ alavanca de liberação é mostrado em seu estado travado; o meio (C) mostra o par desconectado; esta desconexão é obtida deslizando o mecanismo de travamento (à direita, B) para frente em direção à interface de acoplamento. (Fonte da imagem: Phoenix Contact)

Exemplos de conectores de polos de bateria

O sistema de conectores de polo de bateria da Phoenix Contact consiste em pares de conectores de cabos e conectores de montagem em painel com contatos revestidos de prata, tendo uma resistência de contato total ≤5 miliohms (mΩ). Os conectores são classificados de acordo com a UL 4128, a mais recente norma UL para aplicações de bateria. Antes desta norma, a maioria dos conectores de bateria eram classificados usando a norma UL 1977, que é uma norma mais generalizada com um dimensionamento máximo de tensão de 1.000 V_CC. Os conectores de polos de bateria da Phoenix Contact são dimensionados para 1500 V_CC, atendendo à norma UL 4128. Além de atender à última norma UL 4128 (listada abaixo), estes conectores de polos de bateria satisfazem os requisitos de importantes normas internacionais relacionadas ao BESS, inclusive:

• IEC 61984 – Conectores – Exigências e testes de segurança
• IEC 62933 – Sistemas de armazenamento de energia elétrica (EES)
• IEC 63066 – Conectores de acoplamento de baixa tensão para unidades removíveis de armazenamento de energia
• UL 9540 – Norma para sistemas e equipamentos de armazenamento de energia
• UL 4128 – Esboço de investigação para conectores Intercelulares e Intertier para uso em aplicações de sistemas de baterias eletroquímicas

Conectores de cabos como o 1106307 vêm em preto para polos negativos, enquanto o conector 1106306 vem em laranja para polos positivos (Figura 5). Uma terminação de crimpar nos conectores do cabo pode lidar com cabos de 16 milímetros quadrados (mm²) e 25 mm², com um comprimento de desencape de 22 mm. Um mecanismo de travamento deslizante evita desconexões acidentais.

Figura 5: A metade do conector do cabo do sistema de conectores do polo da bateria é oferecida em laranja para polos positivos (foto acima) e em preto para polos negativos. Isto inclui um mecanismo de travamento deslizante (no lado direito do conector acima) para evitar desconexões acidentais. (Fonte da imagem: Phoenix Contact)

Além de satisfazer os requisitos técnicos dos instaladores e integradores de sistemas, os conectores de polos de bateria montados em painel oferecem aos projetistas do sistema BESS a flexibilidade de escolher uma fixação de barramento ou de parafuso dentro do sistema (Figura 6). Como os conectores de cabo, os conectores de montagem em painel são oferecidos em laranja para polos positivos (com opção de barramento, como o 1130816, ou fixações de parafuso, como o 1106303) e preto para polos negativos (com opção de barramento, por exemplo o 1130814, ou fixações de parafuso, como o 1106304).

Figura 6: A metade do conector do polo da bateria montado no painel está disponível com opções de conexão do sistema por barramento (esquerda) ou por parafuso (direita). (Fonte da imagem: Phoenix Contact)

Um resumo das características de desempenho e benefícios do sistema de conector do polo da bateria inclui:

• Tempo de instalação 75 % mais rápido em comparação com os conectores de olhal, reduz o custo de instalação
• Código de cores para identificação de polaridade:
  • Laranja (+) positivo
  • Preto (-) negativo
• Os pares de conectores em preto e laranja têm interfaces únicas para evitar o acoplamento cruzado
• O mecanismo de travamento positivo evita desconexões acidentais
• Conectores de cabo com terminais de crimpar para fios de 16 mm² e 25 mm²
• O sistema de conector acoplado pode ser girado 360° para simplificar a instalação
• Dimensionado para 100 ciclos de inserção/retirada com uma força de inserção ≤75 N e uma força de retirada ≥10 N
• Design totalmente à prova de toque para a segurança do operador
• As capas com classificação IP65 fornecem proteção ambiental
• Contatos revestidos de prata para uma resistência de contato ≤5 mΩ e interface de conexão confiável
• IEC com dimensionamento para 120 A e 1500 V_CC
• Faixa da temperatura de operação de -40 °C a +125 °C

Considerações de projeto e aplicação

Para garantir uma operação segura e confiável, há vários fatores que os projetistas e instaladores precisam levar em consideração ao utilizar sistemas de conectores de polos de bateria plugáveis:

• Não conecte ou desconecte os conectores sob carga.
• O conector deve ser totalmente plugado e intertravado antes de ser energizado.
• Em operação normal, o conector estará quente. Sob condições ambientais de alta temperatura, estes conectores podem continuar a aquecer. Se for o caso de usar o conector em condições de alta temperatura ambiente, podem ser necessárias advertências de queima como as exigidas pela DIN EN ISO 13732-1:2008-12.
• Uma tampa de proteção deve ser colocada nos conectores que não estão sendo usados.
• A carga de tração nos conectores de um conjunto de cabos não pode exceder o limite superior da especificação.

Conclusão

Como a implantação dos sistemas BESS acelera para garantir energia confiável e se adaptar às fontes renováveis de energia, os projetistas precisam prestar atenção extra aos requisitos dos conectores dos polos de bateria para estes sistemas de bateria modulares. Usando conectores de polos de bateria plugáveis, os projetistas podem atender aos principais requisitos de segurança e desempenho, ao mesmo tempo em que dão suporte aos requisitos de confiabilidade, escalabilidade, manutenção, ambientais e de custo das instalações BESS residenciais, comerciais/industriais e utilitárias.

Leitura recomendada

1. BESS: Uma solução para gerenciar energia proativamente