【導(dǎo)讀】本文將介紹在儲(chǔ)能系統(tǒng)中常用的電子元器件技術(shù)特點(diǎn)，并以貿(mào)澤電子官網(wǎng)在售的保護(hù)器件為例，說(shuō)明保護(hù)器件在儲(chǔ)能系統(tǒng)中的重要性。
隨著充電樁建設(shè)普及速度加快，對(duì)于電網(wǎng)的沖擊越來(lái)越高，特別是快速充電樁，電網(wǎng)需要提供的局部充電峰值功率可能超過(guò)1MW，這樣的沖擊可能導(dǎo)致電網(wǎng)崩潰。而充電負(fù)載是脈沖性的，大規(guī)模改造電網(wǎng)負(fù)載能力以滿(mǎn)足快充需求所需成本過(guò)高，在充電樁建設(shè)時(shí)搭配儲(chǔ)能系統(tǒng)是解決充電樁負(fù)載對(duì)電網(wǎng)沖擊的有效解決方案，利用儲(chǔ)能系統(tǒng)可以通過(guò)調(diào)節(jié)功率峰值，有效避免充電對(duì)電網(wǎng)的沖擊。
儲(chǔ)能系統(tǒng)中，以鋰電池為代表的電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)展速度最快。電池儲(chǔ)能系統(tǒng)由兩個(gè)主要部分構(gòu)成：功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（PCS）可進(jìn)行交流/直流和直流/交流轉(zhuǎn)換，電能進(jìn)入電池，對(duì)電池進(jìn)行充電，或電池儲(chǔ)存的能量轉(zhuǎn)換為交流電，輸回電網(wǎng)，合適的電力裝置解決方案取決于所支持的電壓和功率流情況；電池管理系統(tǒng)（BMS）具有電池充電、平衡和健康度監(jiān)測(cè)功能，并配有微處理器，負(fù)責(zé)系統(tǒng)控制和通信，該系統(tǒng)提供的基本元件能夠?qū)?chǔ)能系統(tǒng)（ESS）集成至較大型的系統(tǒng)。
本文將介紹在儲(chǔ)能系統(tǒng)中常用的電子元器件技術(shù)特點(diǎn)，并以貿(mào)澤電子官網(wǎng)在售的保護(hù)器件為例，說(shuō)明保護(hù)器件在儲(chǔ)能系統(tǒng)中的重要性。
電池儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用狀況與對(duì)元器件的要求
事實(shí)上，不僅是新能源汽車(chē)充電樁，可再生能源發(fā)電也是普遍存在間歇性、波動(dòng)性問(wèn)題。不過(guò)，為了應(yīng)對(duì)氣候變化帶來(lái)的挑戰(zhàn)，全球主要國(guó)家都在大力倡導(dǎo)發(fā)展新能源，包括新能源發(fā)電和新能源用電等環(huán)節(jié)。
從實(shí)際應(yīng)用來(lái)看，目前儲(chǔ)能系統(tǒng)已經(jīng)貫穿發(fā)電側(cè)、輸電側(cè)、配電側(cè)和用電側(cè)。在發(fā)電側(cè)，儲(chǔ)能設(shè)備最主要的用途是集中式可再生能源并網(wǎng)?？稍偕茉矗ㄈ顼L(fēng)電、光伏發(fā)電等）由于自然資源地理位置分布的不均勻、發(fā)電高峰時(shí)段與用電高峰時(shí)段的不完全重合、以及日內(nèi)波動(dòng)和不可預(yù)測(cè)性等，給電網(wǎng)的供需匹配提出挑戰(zhàn)，而儲(chǔ)能設(shè)備與可再生能源發(fā)電設(shè)備的配合可以實(shí)現(xiàn)出力穩(wěn)定，最大程度上減少棄風(fēng)棄光。
在電網(wǎng)的輸電側(cè)、配電側(cè)和用電側(cè)，儲(chǔ)能設(shè)備可以用于提供電力輔助服務(wù)。由于電網(wǎng)接入的發(fā)電量和用戶(hù)負(fù)荷的用電量具有瞬時(shí)特性，電網(wǎng)處于不斷的波動(dòng)變化中。因此，為了保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，需要并網(wǎng)發(fā)電廠提供輔助服務(wù)，應(yīng)對(duì)充電樁的脈沖性負(fù)載就是其中一個(gè)方向。
正因?yàn)閮?chǔ)能系統(tǒng)具有諸多的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，新能源發(fā)電和汽車(chē)電氣化等領(lǐng)域要實(shí)現(xiàn)大發(fā)展，作為配套的儲(chǔ)能系統(tǒng)必須率先完善起來(lái)，迎來(lái)發(fā)展窗口期。以發(fā)展較快的中國(guó)市場(chǎng)為例，根據(jù)中關(guān)村儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟（CNESA）的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2021年中國(guó)新增投運(yùn)電力儲(chǔ)能項(xiàng)目裝機(jī)規(guī)模首次突破10吉瓦（GW）大關(guān)，達(dá)到10.5吉瓦，其中新型儲(chǔ)能新增規(guī)模首次突破2吉瓦，達(dá)到2.4吉瓦，同比增長(zhǎng)54%。
在新型儲(chǔ)能方面，以電池儲(chǔ)能為代表的電化學(xué)儲(chǔ)能是重要的應(yīng)用技術(shù)，在《儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)研究白皮書(shū)2022》中被重點(diǎn)提出。電池儲(chǔ)能也就是以電池為載體，完成電能的儲(chǔ)存、釋放與管理。通過(guò)圖1能夠看到，除了我們較為熟知的鋰電池，鈉電池、全釩液流電池、鋅基液流電池、鉛炭電池等技術(shù)也在飛速發(fā)展，在實(shí)際應(yīng)用中逐漸顯露技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
圖1：電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)及發(fā)展預(yù)期
（圖源：中科院官網(wǎng)）
當(dāng)然，在電池儲(chǔ)能方面，鋰離子電池目前技術(shù)更為成熟且應(yīng)用范圍更廣。鋰離子電池具有能量密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、自放電率小、無(wú)記憶效應(yīng)、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，一經(jīng)問(wèn)世就在消費(fèi)電子、交通等領(lǐng)域迅速展開(kāi)部署，更是新能源汽車(chē)發(fā)展的支柱性技術(shù)，在儲(chǔ)能領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
從市場(chǎng)情況來(lái)看，根據(jù)CESA前瞻產(chǎn)業(yè)研究院的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，目前對(duì)于電池儲(chǔ)能而言，主要應(yīng)用還是在發(fā)電側(cè)和電網(wǎng)側(cè)，占比分別為45%和51%，而用戶(hù)側(cè)的裝機(jī)數(shù)占比已經(jīng)從2018年的26.7%下降至2021年的4%。
圖2：中國(guó)儲(chǔ)能電池下游應(yīng)用占比
（圖源：CESA前瞻產(chǎn)業(yè)研究院）
隨著電池儲(chǔ)能不斷靠向電網(wǎng)側(cè)的大規(guī)模部署，電池能量比和功率比快速提升，這給系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提出了極大的挑戰(zhàn)，如何杜絕各種安全隱患成為電池儲(chǔ)能系統(tǒng)部署的重中之重。
綜合而言，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的主要安全問(wèn)題包括過(guò)電流、接地故障、電弧閃光和瞬態(tài)過(guò)電壓，以及溫度過(guò)高。如果這些問(wèn)題不能得到很好地解決，那么便會(huì)出現(xiàn)火災(zāi)隱患、爆炸隱患、中毒隱患和觸電隱患等。
如上所述，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)主要由功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（PCS）和電池管理系統(tǒng)（BMS）兩部分組成。要保證系統(tǒng)的穩(wěn)定安全，被稱(chēng)為電池保姆或者電池管家的BMS是重要一環(huán)。根據(jù)《鋰離子電池行業(yè)規(guī)范條件》，BMS需要能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)電池的電流、電壓、溫度等故障，并在發(fā)現(xiàn)故障的瞬間對(duì)劣化電池模塊進(jìn)行隔離，將風(fēng)險(xiǎn)降到最低。為此，BMS系統(tǒng)主要提供五大保護(hù)功能：確定過(guò)流和放電條件，確定過(guò)充和釋放條件，確定過(guò)充保護(hù)失效，確定過(guò)放電、欠壓和補(bǔ)充條件，以及確定超溫保護(hù)和釋放條件。
為了實(shí)現(xiàn)這些保護(hù)功能，幾乎所有BMS系統(tǒng)都會(huì)配備保護(hù)板。繼續(xù)細(xì)分的話(huà)，保護(hù)板上也會(huì)分為控制模塊、充放電開(kāi)關(guān)、均衡模塊和連接器輸入模塊等。到了元器件級(jí)別，BMS保護(hù)板上搭載的元器件主要是主控IC、MOS管、電容、電阻、電源管理IC和保護(hù)芯片，其中保護(hù)芯片主要是保險(xiǎn)絲、浪涌保護(hù)器、繼電器和隔離器件等。這些器件通過(guò)具體的電路搭配在一起，就能夠讓BMS系統(tǒng)具備上述提到的各種保護(hù)功能。
此外，應(yīng)用于發(fā)電側(cè)和電網(wǎng)側(cè)的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)大都部署在惡劣的環(huán)境中，其中不乏沙漠、戈壁和荒漠等異常嚴(yán)峻的環(huán)境，因此上述提到的各種器件也需要具備極高的穩(wěn)定性和可靠性，保證電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的BMS長(zhǎng)期有效。還是那句話(huà)，目前電池儲(chǔ)能系統(tǒng)以鋰離子電池技術(shù)為主導(dǎo)，但鋰離子電池的材料特性決定了其對(duì)保護(hù)措施的高要求，無(wú)論是BMS系統(tǒng)、保護(hù)板還是相關(guān)的元器件，容不得一絲馬虎。
那么，接下來(lái)我們就為大家推薦幾款貿(mào)澤電子平臺(tái)在售的、可用于BMS系統(tǒng)的保護(hù)器件，它們均是來(lái)自制造商Littelfuse，這些高可靠、性能出色的保護(hù)器件，是廣大工程師朋友打造行業(yè)出色的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的基石。
可用于儲(chǔ)能系統(tǒng)的PSR高速方形保險(xiǎn)絲
保險(xiǎn)絲是一個(gè)較為常見(jiàn)的保護(hù)性元器件，在儲(chǔ)能系統(tǒng)中也是不可或缺的。在儲(chǔ)能系統(tǒng)中，保險(xiǎn)絲可以用于多個(gè)方面，比如保護(hù)系統(tǒng)的功率器件，如IGBT、MOS管等，也能夠用于保護(hù)直流濾波電容等基礎(chǔ)器件。此外，三端保險(xiǎn)絲REP還是BMS系統(tǒng)二次保護(hù)的核心器件。
今天，我們?yōu)榇蠹彝扑]的是一款專(zhuān)為保護(hù)功率半導(dǎo)體器件而設(shè)計(jì)的Littelfuse PSR系列高速方形保險(xiǎn)絲，該器件在貿(mào)澤電子平臺(tái)上的物料號(hào)為PSR071FS0350Z，大家可以通過(guò)搜索此編號(hào)快速找到這顆器件。
圖3：PSR071FS0350Z
（圖源：貿(mào)澤電子）
Littelfuse PSR高速方形保險(xiǎn)絲實(shí)現(xiàn)了極強(qiáng)的電流限制能力與均衡性能水平的完美融合，與同類(lèi)產(chǎn)品相比，擁有更好的直流能力、卓越的循環(huán)能力、低功率損耗設(shè)計(jì)以及直觀、可選的微型開(kāi)關(guān)保險(xiǎn)絲熔斷指示等優(yōu)越性能。Littelfuse PSR系列高速方形保險(xiǎn)絲可用于保護(hù)二極管、三端雙向可控硅、IGBT、SCR、MOSFET以及其他通常用于功率轉(zhuǎn)換和功率調(diào)節(jié)設(shè)備的固態(tài)器件等廣泛的功率器件，這些靈敏的功率半導(dǎo)體器件無(wú)法耐受任何線(xiàn)路浪涌或過(guò)流，并且需要高速保護(hù)。
Littelfuse PSR系列高速方形保險(xiǎn)絲擁有DIN端子、螺栓端子、平頭端子三種不同的設(shè)計(jì)方式，以滿(mǎn)足額定電壓、額定電流和分?jǐn)嚯娏鞯确矫娴牟煌枨蟆．?dāng)然，這些高速方形保險(xiǎn)絲均通過(guò)了cURus、CCC、IEC全球認(rèn)證，符合美國(guó)和加拿大標(biāo)準(zhǔn)要求，并達(dá)到IEC60269-4級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的aR級(jí)性能。
圖4：DIN端子款式
（圖源：貿(mào)澤電子）
圖5：螺栓端子款式
（圖源：貿(mào)澤電子）
圖6：平頭端子款式
（圖源：貿(mào)澤電子）
除了可用于儲(chǔ)能系統(tǒng)的電池保護(hù)應(yīng)用，Littelfuse PSR系列高速方形保險(xiǎn)絲在UPS、逆變器、整流器、驅(qū)動(dòng)器等功率轉(zhuǎn)換器件，直流母線(xiàn)、直流注入制動(dòng)等直流注入系統(tǒng)，電動(dòng)汽車(chē)充電站，加熱器和電源等領(lǐng)域均可提供出色的保護(hù)功能。
帶有鉗位功能的可插拔浪涌保護(hù)器件
上面內(nèi)容已經(jīng)提到，應(yīng)用于電網(wǎng)側(cè)的儲(chǔ)能系統(tǒng)大都部署在環(huán)境較為惡劣的環(huán)境下，雷擊等外部干擾會(huì)突然產(chǎn)生尖峰電流或者電壓。如果不加以處理，這些電流或電壓會(huì)對(duì)系統(tǒng)中的電子設(shè)備、儀器儀表、通訊線(xiàn)路等關(guān)鍵設(shè)備造成巨大的危害，因此需要浪涌保護(hù)器對(duì)它們進(jìn)行保護(hù)。
下面為大家推薦一款可針對(duì)持續(xù)數(shù)微秒的瞬態(tài)過(guò)壓事件提供設(shè)備保護(hù)和過(guò)壓限制的Littelfuse可插拔浪涌保護(hù)器件（SPD），該器件在貿(mào)澤電子上的物料號(hào)為SPD2-350-1P1-R。這些SPD有單極和多極可插拔模塊可供選擇，提供Class 2/Type2/Type 1 CA保護(hù)等級(jí)。Littelfuse可插拔SPD還具有額外的保護(hù)特性，如熱保護(hù)和IP20防護(hù)等級(jí)。通過(guò)限制設(shè)備在這些事件發(fā)生時(shí)的過(guò)電壓，成本高昂的設(shè)備損壞和停工可以得到減少。此外，由于采用手指觸摸安全設(shè)計(jì)，因此可增強(qiáng)對(duì)工人的防護(hù)。
圖7：SPD2-350-1P1-R
（圖源：貿(mào)澤電子）
在產(chǎn)品特性方面，Littelfuse可插拔浪涌保護(hù)器件采用聯(lián)鎖片機(jī)制、緊湊占位和可視壽命指示燈，具有較高的設(shè)計(jì)靈活性和抗振性。同時(shí)，這些SPD具有鉗位功能，并可承受高能量瞬態(tài)，可確保低殘余電壓（在高能量浪涌事件期間）和更高的標(biāo)稱(chēng)放電電流，以防止設(shè)備的中斷、停機(jī)和性能下降。Littelfuse采用1+1配置的浪涌保護(hù)器件可用于60V至277V標(biāo)稱(chēng)電壓的子配電板應(yīng)用。
DCN大電流高壓直流接觸式繼電器
儲(chǔ)能系統(tǒng)和普通EV系統(tǒng)的電池系統(tǒng)功能相同，也就是充電和放電，因此繼電器就成為系統(tǒng)中必要的一部分。繼電器是一種電控制器件，當(dāng)輸入量（激勵(lì)量）的變化達(dá)到規(guī)定要求時(shí)，在電氣輸出電路中使被控量發(fā)生預(yù)定的階躍變化。在電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的BMS充電電路中，一般會(huì)用到正極繼電器、負(fù)極繼電器和預(yù)充繼電器三個(gè)類(lèi)型，通過(guò)信號(hào)控制完成閉合或打開(kāi)，以完成系統(tǒng)充電。
接下來(lái)這款器件便是適用于可再生能源存儲(chǔ)應(yīng)用的Littelfuse DCN大電流高壓直流接觸式繼電器，貿(mào)澤電子平臺(tái)上該器件的物料號(hào)為DCNEVT500-CA。
圖8：DCNEVT500-CA
（圖源：貿(mào)澤電子）
Littelfuse DCN大電流高壓直流接觸式繼電器具有30A至500A多種電流規(guī)格和高達(dá)1800V額定電壓。得益于器件本身的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，該繼電器結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕，可方便地集成到各種大電流、高壓電氣系統(tǒng)中。
在產(chǎn)品特性方面，Littelfuse DCN接觸式繼電器采用磁吹滅弧和密封充氣滅弧室設(shè)計(jì)，可快速熄滅觸點(diǎn)之間的電??；線(xiàn)圈節(jié)能器通過(guò)線(xiàn)圈控制信號(hào)脈沖寬度調(diào)制（PWM），大幅降低了線(xiàn)圈功耗和發(fā)熱；提供極性和非極性觸點(diǎn)設(shè)計(jì)選項(xiàng)，幫助工程師朋友根據(jù)電氣系統(tǒng)負(fù)載極性?xún)?yōu)化性能。
除了可再生能源存儲(chǔ)應(yīng)用，Littelfuse DCN接觸式繼電器還可用于電動(dòng)汽車(chē)（EV）、混合動(dòng)力汽車(chē)（HEV）、電動(dòng)叉車(chē)、充電站等領(lǐng)域，典型的設(shè)計(jì)方案包括主接觸器、預(yù)充電接觸器、快充接觸器、慢充接觸器和輔助接觸器。
可調(diào)節(jié)跳閘設(shè)定值的接地漏電監(jiān)測(cè)器
在電池儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，接地也是一種重要的保護(hù)措施，不僅能防止人員遭受電擊、設(shè)備和線(xiàn)路遭受損壞，并且還能夠幫助系統(tǒng)應(yīng)對(duì)雷擊等突發(fā)事件。因此，接地的方式大概分為工作接地、保護(hù)接地和防雷接地。以防雷接地為例，我們都知道雷擊的危害是巨大的，防雷擊的有效措施之一就是接地，將雷電電流導(dǎo)入大地。
當(dāng)然，在系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中，也會(huì)因?yàn)榻^緣體損壞而導(dǎo)致接地漏電，會(huì)引發(fā)很多潛在的危害，包括危及維護(hù)人員的人身安全，引起短路事故，電火花引發(fā)火災(zāi)等等。在此，我們?yōu)榇蠹彝扑]一款Littelfuse SE-704接地漏電監(jiān)測(cè)器，該器件在貿(mào)澤電子平臺(tái)上的物料號(hào)為SE-704-0D。
圖9：SE-704-0D
（圖源：貿(mào)澤電子）
Littelfuse SE-704接地漏電監(jiān)測(cè)器是基于微處理器的接地故障繼電器，適用于電阻接地和直接接地系統(tǒng)，能夠靈敏地檢測(cè)低至10mA的接地故障電流，可用于諧波含量極高的系統(tǒng)。
Littelfuse SE-704接地漏電監(jiān)測(cè)器擁有非常多出色的產(chǎn)品特性，包括可調(diào)節(jié)跳閘設(shè)定值、可調(diào)節(jié)時(shí)間延遲、CT-Loop監(jiān)測(cè)、諧波濾波等，可提供饋線(xiàn)保護(hù)或個(gè)別負(fù)載保護(hù)，提供輸出觸點(diǎn)以用于跳閘保護(hù)回路或報(bào)警指示電路。該器件上具備的模擬輸出功能可同PLC或儀表一起使用。此外，Littelfuse SE-704接地漏電監(jiān)測(cè)器還通過(guò)了UL、CSA、CE和C-Tick認(rèn)證。
儲(chǔ)能系統(tǒng)良性發(fā)展離不開(kāi)保護(hù)電路
無(wú)論是充電樁的快速普及，還是“雙碳”目標(biāo)下新能源建設(shè)的進(jìn)一步提速，都給儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來(lái)了歷史性機(jī)會(huì)。上述內(nèi)容我們?cè)啻翁岬?，?chǔ)能系統(tǒng)的安全尤為重要，這是產(chǎn)業(yè)良性發(fā)展的大前提，一個(gè)穩(wěn)定可靠的儲(chǔ)能系統(tǒng)需要電子保護(hù)元器件提供全方位的保護(hù)。借助貿(mào)澤電子平臺(tái)上極其豐富的保護(hù)器件，工程師朋友一定能為儲(chǔ)能系統(tǒng)打造出更合適的安全方案。
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