Generic selectors
Exact matches only
Search in title
Search in content
Post Type Selectors

Das zweite Leben von Batterien

28.03.2022 – Von der Notstromversorgung bis hin zu Smart Grid-Anwendungen – sogenannte Second-Life-Batterien können vielfältig genutzt werden. Für die Vernetzung der Komponenten bietet HMS Industrial Networks Datenkommunikations- und Netzwerklösungen an.

Batterie-Module aus Elektrofahrzeugen haben eine Lebenserwartung von rund zehn Jahren. Danach ist ihr Nutzen im Bereich der Elektromobilität aufgrund der nachlassenden Kapazität und der dadurch bedingten Reichweitenverringerung erheblich eingeschränkt, erläutert Martin Matt, Produktmanager im Bereich Batteriespeichersysteme bei HMS Industrial Networks: „Würden die Module zu diesem Zeitpunkt recycelt werden, so ginge ein hoher Prozentsatz ihres Wertes, rund 70 % Restkapazität, verloren und es entstünden zusätzlich hohe finanzielle und ökologische Kosten bei der Entsorgung.“ Im Sinne der Kreislaufwirtschaft können die Batterie-Module allerdings in stationären Stromspeichern eingesetzt werden, wie Martin Matt schildert. „Bis 2030 werden etwa eine Million Tonnen Elektrofahrzeug-Batterien für die Wiederverwendung in unter anderem solchen Systemen zur Verfügung stehen und bis 2035 könnte der weltweite Bedarf an stationärer Energiespeicherung vollständig durch Second-Life-Batterien gedeckt werden.“ Damit diese Systeme optimiert betrieben und wirksam in Versorgungssysteme eingebunden werden können, ist die Erfassung und Weitergabe von Zustands- und Prozessdaten erforderlich.

Batteriespeicher

Foto: petrmalinak/shutterstock.com

CAN-Technologie für Datenaustauschprozesse

Laut Martin Matt hat sich für diese Datenaustauschprozesse die CAN-Technologie im Fahrzeugbereich etabliert, zudem ist sie auch im Industriebereich seit Jahren vorzufinden. Dadurch könne auf eine breite Auswahl an Standard-Komponenten für die Vernetzung zurückgegriffen werden. „CAN ist ein robustes und störungssicheres Feldbussystem, das obendrein äußerst energiesparsam ist. All diese Vorteile kann CAN auch beim Einsatz in Batterie-Speichersystemen ausspielen“, so der Produktmanager. Mit seinen Netzwerkkomponenten deckt HMS alle Kommunikationsbereiche innerhalb der Batterie-Speichersysteme ab und ermöglicht darüber hinaus auch deren Smart Grid- und Cloud-Anbindung. Das Produktportfolio umfasst Lösungen für die CAN-Vernetzung, die Kopplung verschiedenster Netzwerkstandards, die Vernetzung von Klimaanlagen sowie Lösungen für die Smart Grid-Vernetzung.

Batteriemanagement- und Energiemanagementsystem

Kernelement der meist Container-basierten Batterie-Speichersysteme sind Second-Life-Batterien aus Fahrzeugen sowie deren integrierte Batteriemanagementsysteme (BMS), die die Lade- und Entladeprozesse steuern und den Zustand der einzelnen Batteriezellen kontinuierlich überwachen, um die Batterie vor Tiefentladung, Überladung oder Temperaturspitzen zu schützen. Die BMS-Einheiten werden über den CAN-Bus miteinander vernetzt und an ein Energiemanagementsystem (EMS) angebunden. Dies erfolgt entweder direkt über den CAN-Bus oder unter Einsatz von CAN-Repeatern oder CAN-Bridges, welche zusätzlich zum galvanischen Schutz von Baugruppen oder zur Kopplung von Segmenten eingesetzt werden. Beim EMS handelt es sich um eine zentrale Steuereinheit, die sich außerhalb der Batterie-Module befindet und das Be- und Entladen des Batterie-Speichersystems erfasst, analysiert und steuert.

Grafik Vernetzung von Batterie-Speichersystemeernetzung von Batterie-Speichersysteme

Bei der Vernetzung von Batterie-Speichersystemen kommen verschiedenste Netzwerkstandards und Protokolle auf engem Raum zusammen. Grafik: HMS Industrial Networks GmbH

Herausforderungen für die Komponenten

Hohe Stromstärken sowie die Wechselrichtung bei der Netzeinspeisung können unter Umständen zu einer Beeinträchtigung der vernetzten Komponenten durch elektromagnetische Interferenzen führen. Bei der Konzipierung der Batterie-Speichersysteme sind somit Schutzmaßnahmen vorzusehen, um eine Beschädigung von Komponenten zu vermeiden und die reibungs­lose Datenkommunikation sicherzustellen. Martin Matt: „Hier kommen CAN-Repeater zum Einsatz, mit denen einzelne Module mit einem galvanischen Schutz von bis zu 4 kV mit­einander vernetzt werden können. Repeater erlauben darüber hinaus die Realisierung von Stern- und Baumtopologien, was die Verdrahtung vereinfacht und Leitungsmaterial einspart.“

Für die Vernetzung mehrerer gleicher BMS-Einheiten und deren Anbindung an das EMS ist darüber hinaus eine Modifikation der CAN-Nachrichten-Identifier erforderlich. Dies könne über CAN-Bridges oder CAN-Gateways und deren zu konfigurierenden Filter- und Datenmanipulations-Funktionen realisiert werden.

Unterschiedliche Netzwerkprotokolle

Die Container-Einheit umfasst neben den rein energierelevanten Komponenten auch Systeme für die Klimatisierung, die Brandmeldung sowie die Zugriffs- und Zutrittskontrolle. Auch hier wird oftmals auf Standard-Komponenten der Gebäudeklimatisierung und -automatisierung zurückgegriffen, die wiederum andere Netzwerkprotokolle wie KNX oder Modbus verwenden, wie Martin Matt ausführt: „Über Gateway-Lösungen für Feldbus und Industrial Ethernet können die verschiedenen Kommunikationsstandards einfach miteinander verbunden und zentral überwacht oder gesteuert werden. Dieser zentralisierte Ansatz, unter Einbindung aller Komponenten, ermöglicht einen schnellen Zugriff auf Daten aller Ebenen.“

Einbindung in das Smart Grid

Die Vernetzung der Komponenten innerhalb der Batterie-Speichersysteme unter Einbindung aller Systeme ist Voraussetzung für eine Anbindung an Cloud-Netzwerke oder SCADA-Systeme. Im Smart-Grid-Verbund kann die Speicherung und Bereitstellung der Energie zentral gesteuert werden. Zudem stehen Batterie- und Systemdaten zur Verfügung, die eine vorausschauende Wartung und somit den effizienten Betrieb der Batterie-Speichersysteme sicherstellen sollen.

Für die Smart-Grid- und Cloud-Anbindung kommen spezielle Gateways zum Einsatz. Diese unterstützen sowohl die in Netzwerken der Energiewirtschaft eingesetzten Protokolle wie IEC 61850, IEC 60870-5-104 oder DNP3 als auch die industriell eingesetzten Feldbus- und Industrial-Ethernet-Standards sowie Standards für die Anbindung an Cloud-Systeme (OPC UA, MQTT). Cyber-Sicherheitsfunktionen wie Firewall, OpenVPN, TLS-Verschlüsselung und Benutzerverwaltung sollen hohe Sicherheitsstandards in puncto Datenverschlüsselung und Zugriffskontrolle gewährleisten. (ds)

HMS Industrial Networks GmbH
Martin Matt
mamt@hms-networks.de
www.hms-networks.de