Im großen Maßstab Hochspannungs-Lithium-Energiespeichersysteme Der Parallelbetrieb von Batterieclustern ist eine gängige Architektur, die verwendet wird, um höhere Kapazität, Skalierbarkeit der Leistung und Systemzuverlässigkeit zu erreichen. EverExceed Diese Architektur findet breite Anwendung in netzgebundenen Energiespeichern, USV-Notstromsystemen und industriellen Stromversorgungslösungen. Die Parallelschaltung bietet zwar erhebliche Vorteile, bringt aber auch technische Herausforderungen mit sich, die sorgfältig bewältigt werden müssen.

Kernvorteile (Pros)

1. Flexible Skalierbarkeit und modulares Design

Bedarfsgerechte Kapazitäts- und Leistungserweiterung:
Durch Erhöhen oder Verringern der Anzahl parallel geschalteter Batteriecluster lassen sich Systemkapazität und Leistung flexibel skalieren, ohne das gesamte Batteriesystem neu konzipieren zu müssen. Dies macht die Parallelarchitektur ideal für modulare Energiespeichersysteme (ESS) und USV-Anwendungen.

Standardisierte Fertigung:
Jeder Batteriecluster kann standardisiert und in Massenproduktion hergestellt werden, wodurch die Herstellungskosten gesenkt und gleichzeitig Produktkonsistenz und -qualität sichergestellt werden.

Wartungs- und Austauschfreundlichkeit:
Wenn ein einzelner Cluster ausfällt, kann er elektrisch isoliert, gewartet oder ersetzt werden, ohne dass das gesamte System abgeschaltet werden muss. Dies verbessert die Systemverfügbarkeit und Wartungsfreundlichkeit erheblich.

2. Erhöhte Redundanz und Systemzuverlässigkeit

N+1-Redundanz:
Durch die Konfiguration eines zusätzlichen Batterieclusters kann sichergestellt werden, dass das System auch bei Ausfall eines Clusters mit Nennleistung weiterläuft und somit eine unterbrechungsfreie Versorgung kritischer Verbraucher wie Rechenzentren und Industrieanlagen gewährleistet ist.

Fehlerisolierungsfähigkeit:
Fehler wie interne Kurzschlüsse oder Störungen im Gebäudeleitsystem (BMS) können auf einen einzelnen Cluster beschränkt werden. Mithilfe von DC-Trennschaltern und Schützen lassen sich Fehler schnell beheben, wodurch das Systemrisiko reduziert wird.

3. Verbesserte Effizienz und operative Optimierung

Reduzierter Strom pro Cluster:
Die parallele Stromverteilung verringert den Stromfluss durch jedes Batteriecluster und reduziert so die elektrische Belastung von Steckverbindern, Kabeln und Zellen. Dadurch verringern sich die Joule-Verluste innerhalb des Clusters.

Ploss=I2RP_{loss} = I^2R P l oss = ICH 2 R

und kann die Gesamteffizienz des Systems verbessern.

Operative Flexibilität durch intelligente Einsatzplanung:
Fortschrittlich Energiemanagementsysteme (EMS) Das System kann Cluster intelligent und in Echtzeit steuern. Beispielsweise können Cluster mit höherem Ladezustand (SOC) und niedrigerem Innenwiderstand priorisiert werden, während überhitzte Cluster zur Kühlung vorübergehend offline genommen werden können, wodurch die Lebensdauer des Systems verlängert wird.

Wichtigste Herausforderungen und Risiken (Nachteile)

1. Ausgleichsstrom (Der Hauptnachteil)

Grundursache:
Aufgrund unvermeidbarer Unterschiede in der Ausgangsspannung zwischen den Clustern – verursacht durch SOC, Temperatur, Innenwiderstand und Alterung – können Cluster mit höherer Spannung solche mit niedrigerer Spannung aufladen, wodurch ein Ausgleichsstrom entsteht, der nicht zur externen Last oder zum Netz fließt.

Zu den Risiken gehören:

• Energieverlust: Der Umlaufstrom wird direkt in Wärme umgewandelt, was die Systemeffizienz verringert.

• Beschleunigtes Altern: Bei einigen Clustern kommt es zu unnötigen Lade-/Entladezyklen, was den Kapazitätsverlust beschleunigt.

• Überstromrisiko: Starke Ausgleichsströme können die Nennwerte von Sicherungen, Schützen oder Leistungselektronik überschreiten und dadurch möglicherweise zu Ausfällen führen.

2. Verstärkte Inkonsistenz und erhöhte Kontrollkomplexität

„Schwächsten-Glied-Effekt“:
In Parallelsystemen wird die gesamte nutzbare Kapazität durch den Cluster begrenzt, der zuerst seine Lade- oder Entladegrenzen erreicht. Jede Inkonsistenz reduziert direkt die effektive Systemkapazität.

Komplexität mehrschichtiger Gebäudeleittechnik:
Parallele Hochspannungssysteme benötigen typischerweise ein dreistufige Steuerungsarchitektur :
Zellbasiertes BMS → Clusterbasiertes BMS → Systembasiertes EMS.
Das EMS muss ausgefeilte Algorithmen für den Stromausgleich, den SOC-Ausgleich und die Zustandsbewertung ausführen, was die Software- und Kommunikationskomplexität erheblich erhöht.

3. Schutzkoordination und Sicherheitsrisiken

Extrem hoher Fehlerstrom:
Bei Kurzschlüssen auf der Gleichstromseite entladen sich alle parallel geschalteten Batteriegruppen gleichzeitig in den Fehlerpunkt, wodurch extrem hohe Kurzschlussströme entstehen. Dies stellt hohe Anforderungen an Gleichstrom-Leistungsschalter und Schutzeinrichtungen.

Herausforderungen bei der Schutzselektivität:
Schutzschwellenwerte und Reaktionszeiten müssen auf allen Ebenen (Zelle, Modul, Cluster, System) präzise aufeinander abgestimmt werden, um sicherzustellen, dass nur die kleinste fehlerhafte Einheit isoliert wird und dadurch Kaskadenausfälle verhindert werden.

4. Anfangsinvestition und Systemkosten

Zusätzliche redundante Komponenten:
Jeder Batteriecluster benötigt ein eigenes Batteriemanagementsystem (BMS), eigene Schütze, Sicherungen und in einigen Fällen DC/DC-Wandler für den aktiven Stromausgleich, was die Hardwarekosten erhöht.

Höhere Systemintegrationskosten:
Komplexe elektrische Konstruktionen, ein koordiniertes Wärmemanagement und die Entwicklung fortschrittlicher Steuerungssoftware erhöhen die Engineering- und Inbetriebnahmekosten erheblich.

Wichtige technische Lösungen: Wie Sie den Nutzen maximieren und Risiken minimieren

1. Aktive Trennung und Regelung mittels DC/DC-Wandler

Jeder Batteriecluster ist an seinem Ausgang mit einem bidirektionalen DC/DC-Wandler ausgestattet.

Vorteile:

• Eliminiert den Ausgleichsstrom vollständig

• Ermöglicht die unabhängige Lade-/Entladesteuerung für jedes Cluster

• Maximiert die nutzbare Kapazität und die Systemstabilität

• Stellt die effektivste Lösung zur Bewältigung von Inkonsistenzen dar.

Abwägungen:

• Erhöhte Systemkosten und Volumen

• Geringfügiger Effizienzverlust (typischerweise aber immer noch >97 %)

2. Passiver Stromausgleich mit erweitertem Management

Strenge Clusterübereinstimmung:
Vor der Parallelschaltung werden die Cluster hinsichtlich Spannung, Innenwiderstand und Kapazität sorgfältig aufeinander abgestimmt.

Erweiterte BMS-Algorithmen auf Clusterebene:
Eine genaue Schätzung des Ladezustands (SOC) und des Gesundheitszustands (SOH) ermöglicht es dem Rettungsdienst, Einsatzstrategien zu optimieren und die Teilnahme an Fahrzeugclustern dynamisch zu steuern.

Maßnahmen zur Unterdrückung des Stroms:
Verwendung von Dämpfungswiderständen oder optimierten Topologien zur Begrenzung der Ausgleichsstromstärke.

Zusammenfassung und Schlussfolgerung

Abschließende Empfehlung

Parallelbetrieb von Hochvolt-Lithium-Batteriecluster ist für die Skalierung moderner Systeme unerlässlich. Energiespeichersysteme Die erfolgreiche Umsetzung hängt jedoch stark von Folgendem ab:

1. Präzise Zell- und Clusterzuordnung

2. Leistungsstark, intelligent, mehrstufig BMS und EMS

3. Strenge elektrische und sicherheitstechnische Auslegung, insbesondere für die Schutzkoordination und die Unterdrückung von Ausgleichsströmen

4. Kosten-Nutzen-Abwägung:

   • Für anspruchsvolle Anwendungen maximale Effizienz und Konsistenz DC/DC-isolierte Architekturen werden empfohlen.

   • Für kostensensible Projekte mit gut aufeinander abgestimmten Clustern können fortschrittliche passive Managementlösungen eingesetzt werden.

Bei EverExceed Diese Prinzipien sind vollständig in das Design unserer Produkte integriert. Hochvolt-Lithiumbatteriesysteme für Energiespeicherung, USV-Notstromversorgung, Rechenzentren und industrielle Energieanwendungen , wodurch ein sicherer Betrieb, hohe Effizienz und langfristige Zuverlässigkeit gewährleistet werden.