【導讀】本文將介紹在儲能系統中常用的電子元器件技術(shù)特點(diǎn)，并以貿澤電子官網(wǎng)在售的保護器件為例，說(shuō)明保護器件在儲能系統中的重要性。
隨著(zhù)充電樁建設普及速度加快，對于電網(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，這樣的沖擊可能導致電網(wǎng)崩潰。而充電負載是脈沖性的，大規模改造電網(wǎng)負載能力以滿(mǎn)足快充需求所需成本過(guò)高，在充電樁建設時(shí)搭配儲能系統是解決充電樁負載對電網(wǎng)沖擊的有效解決方案，利用儲能系統可以通過(guò)調節功率峰值，有效避免充電對電網(wǎng)的沖擊。
儲能系統中，以鋰電池為代表的電化學(xué)儲能系統發(fā)展速度最快。電池儲能系統由兩個(gè)主要部分構成：功率轉換系統（PCS）可進(jìn)行交流/直流和直流/交流轉換，電能進(jìn)入電池，對電池進(jìn)行充電，或電池儲存的能量轉換為交流電，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（BMS）具有電池充電、平衡和健康度監測功能，并配有微處理器，負責系統控制和通信，該系統提供的基本元件能夠將儲能系統（ESS）集成至較大型的系統。
本文將介紹在儲能系統中常用的電子元器件技術(shù)特點(diǎn)，并以貿澤電子官網(wǎng)在售的保護器件為例，說(shuō)明保護器件在儲能系統中的重要性。
電池儲能系統應用狀況與對元器件的要求
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)，為了應對氣候變化帶來(lái)的挑戰，全球主要國家都在大力倡導發(fā)展新能源，包括新能源發(fā)電和新能源用電等環(huán)節。
從實(shí)際應用來(lái)看，目前儲能系統已經(jīng)貫穿發(fā)電側、輸電側、配電側和用電側。在發(fā)電側，儲能設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、以及日內波動(dòng)和不可預測性等，給電網(wǎng)的供需匹配提出挑戰，而儲能設備與可再生能源發(fā)電設備的配合可以實(shí)現出力穩定，最大程度上減少棄風(fēng)棄光。
在電網(wǎng)的輸電側、配電側和用電側，儲能設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，為了保障電力系統的安全穩定運行，需要并網(wǎng)發(fā)電廠(chǎng)提供輔助服務(wù)，應對充電樁的脈沖性負載就是其中一個(gè)方向。
正因為儲能系統具有諸多的應用優(yōu)勢，新能源發(fā)電和汽車(chē)電氣化等領(lǐng)域要實(shí)現大發(fā)展，作為配套的儲能系統必須率先完善起來(lái)，迎來(lái)發(fā)展窗口期。以發(fā)展較快的中國市場(chǎng)為例，根據中關(guān)村儲能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟（CNESA）的統計數據，2021年中國新增投運電力儲能項目裝機規模首次突破10吉瓦（GW）大關(guān)，達到10.5吉瓦，其中新型儲能新增規模首次突破2吉瓦，達到2.4吉瓦，同比增長(cháng)54%。
在新型儲能方面，以電池儲能為代表的電化學(xué)儲能是重要的應用技術(shù)，在《儲能產(chǎn)業(yè)研究白皮書(shū)2022》中被重點(diǎn)提出。電池儲能也就是以電池為載體，完成電能的儲存、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)際應用中逐漸顯露技術(shù)優(yōu)勢。
圖1：電化學(xué)儲能技術(shù)及發(fā)展預期
（圖源：中科院官網(wǎng)）
當然，在電池儲能方面，鋰離子電池目前技術(shù)更為成熟且應用范圍更廣。鋰離子電池具有能量密度高、循環(huán)壽命長(cháng)、自放電率小、無(wú)記憶效應、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，一經(jīng)問(wèn)世就在消費電子、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)，在儲能領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。
從市場(chǎng)情況來(lái)看，根據CESA前瞻產(chǎn)業(yè)研究院的統計數據，目前對于電池儲能而言，主要應用還是在發(fā)電側和電網(wǎng)側，占比分別為45%和51%，而用戶(hù)側的裝機數占比已經(jīng)從2018年的26.7%下降至2021年的4%。
圖2：中國儲能電池下游應用占比
（圖源：CESA前瞻產(chǎn)業(yè)研究院）
隨著(zhù)電池儲能不斷靠向電網(wǎng)側的大規模部署，電池能量比和功率比快速提升，這給系統的穩定運行提出了極大的挑戰，如何杜絕各種安全隱患成為電池儲能系統部署的重中之重。
綜合而言，電池儲能系統的主要安全問(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 )出現火災隱患、爆炸隱患、中毒隱患和觸電隱患等。
如上所述，電池儲能系統主要由功率轉換系統（PCS）和電池管理系統（BMS）兩部分組成。要保證系統的穩定安全，被稱(chēng)為電池保姆或者電池管家的BMS是重要一環(huán)。根據《鋰離子電池行業(yè)規范條件》，BMS需要能夠實(shí)時(shí)監測電池的電流、電壓、溫度等故障，并在發(fā)現故障的瞬間對劣化電池模塊進(jìn)行隔離，將風(fēng)險降到最低。為此，BMS系統主要提供五大保護功能：確定過(guò)流和放電條件，確定過(guò)充和釋放條件，確定過(guò)充保護失效，確定過(guò)放電、欠壓和補充條件，以及確定超溫保護和釋放條件。
為了實(shí)現這些保護功能，幾乎所有BMS系統都會(huì )配備保護板。繼續細分的話(huà)，保護板上也會(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。到了元器件級別，BMS保護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和保護芯片，其中保護芯片主要是保險絲、浪涌保護器、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系統具備上述提到的各種保護功能。
此外，應用于發(fā)電側和電網(wǎng)側的電池儲能系統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定性和可靠性，保證電池儲能系統的BMS長(cháng)期有效。還是那句話(huà)，目前電池儲能系統以鋰離子電池技術(shù)為主導，但鋰離子電池的材料特性決定了其對保護措施的高要求，無(wú)論是BMS系統、保護板還是相關(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澤電子平臺在售的、可用于BMS系統的保護器件，它們均是來(lái)自制造商Littelfuse，這些高可靠、性能出色的保護器件，是廣大工程師朋友打造行業(yè)出色的電池儲能系統的基石。
可用于儲能系統的PSR高速方形保險絲
保險絲是一個(gè)較為常見(jiàn)的保護性元器件，在儲能系統中也是不可或缺的。在儲能系統中，保險絲可以用于多個(gè)方面，比如保護系統的功率器件，如IGBT、MOS管等，也能夠用于保護直流濾波電容等基礎器件。此外，三端保險絲REP還是BMS系統二次保護的核心器件。
今天，我們?yōu)榇蠹彝扑]的是一款專(zhuān)為保護功率半導體器件而設計的Littelfuse PSR系列高速方形保險絲，該器件在貿澤電子平臺上的物料號為PSR071FS0350Z，大家可以通過(guò)搜索此編號快速找到這顆器件。
圖3：PSR071FS0350Z
（圖源：貿澤電子）
Littelfuse PSR高速方形保險絲實(shí)現了極強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、低功率損耗設計以及直觀(guān)、可選的微型開(kāi)關(guān)保險絲熔斷指示等優(yōu)越性能。Littelfuse PSR系列高速方形保險絲可用于保護二極管、三端雙向可控硅、IGBT、SCR、MOSFET以及其他通常用于功率轉換和功率調節設備的固態(tài)器件等廣泛的功率器件，這些靈敏的功率半導體器件無(wú)法耐受任何線(xiàn)路浪涌或過(guò)流，并且需要高速保護。
Littelfuse PSR系列高速方形保險絲擁有DIN端子、螺栓端子、平頭端子三種不同的設計方式，以滿(mǎn)足額定電壓、額定電流和分斷電流等方面的不同需求。當然，這些高速方形保險絲均通過(guò)了cURus、CCC、IEC全球認證，符合美國和加拿大標準要求，并達到IEC60269-4級標準的aR級性能。
圖4：DIN端子款式
（圖源：貿澤電子）
圖5：螺栓端子款式
（圖源：貿澤電子）
圖6：平頭端子款式
（圖源：貿澤電子）
除了可用于儲能系統的電池保護應用，Littelfuse PSR系列高速方形保險絲在UPS、逆變器、整流器、驅動(dòng)器等功率轉換器件，直流母線(xiàn)、直流注入制動(dòng)等直流注入系統，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功能。
帶有鉗位功能的可插拔浪涌保護器件
上面內容已經(jīng)提到，應用于電網(wǎng)側的儲能系統大都部署在環(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 )對系統中的電子設備、儀器儀表、通訊線(xiàn)路等關(guān)鍵設備造成巨大的危害，因此需要浪涌保護器對它們進(jìn)行保護。
下面為大家推薦一款可針對持續數微秒的瞬態(tài)過(guò)壓事件提供設備保護和過(guò)壓限制的Littelfuse可插拔浪涌保護器件（SPD），該器件在貿澤電子上的物料號為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保護等級。Littelfuse可插拔SPD還具有額外的保護特性，如熱保護和IP20防護等級。通過(guò)限制設備在這些事件發(fā)生時(shí)的過(guò)電壓，成本高昂的設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計，因此可增強對工人的防護。
圖7：SPD2-350-1P1-R
（圖源：貿澤電子）
在產(chǎn)品特性方面，Littelfuse可插拔浪涌保護器件采用聯(lián)鎖片機制、緊湊占位和可視壽命指示燈，具有較高的設計靈活性和抗振性。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）和更高的標稱(chēng)放電電流，以防止設備的中斷、停機和性能下降。Littelfuse采用1+1配置的浪涌保護器件可用于60V至277V標稱(chēng)電壓的子配電板應用。
DCN大電流高壓直流接觸式繼電器
儲能系統和普通EV系統的電池系統功能相同，也就是充電和放電，因此繼電器就成為系統中必要的一部分。繼電器是一種電控制器件，當輸入量（激勵量）的變化達到規定要求時(shí)，在電氣輸出電路中使被控量發(fā)生預定的階躍變化。在電池儲能系統的BMS充電電路中，一般會(huì )用到正極繼電器、負極繼電器和預充繼電器三個(gè)類(lèi)型，通過(guò)信號控制完成閉合或打開(kāi)，以完成系統充電。
接下來(lái)這款器件便是適用于可再生能源存儲應用的Littelfuse DCN大電流高壓直流接觸式繼電器，貿澤電子平臺上該器件的物料號為DCNEVT500-CA。
圖8：DCNEVT500-CA
（圖源：貿澤電子）
Littelfuse DCN大電流高壓直流接觸式繼電器具有30A至500A多種電流規格和高達1800V額定電壓。得益于器件本身的創(chuàng )新設計，該繼電器結構緊湊、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計，可快速熄滅觸點(diǎn)之間的電??；線(xiàn)圈節能器通過(guò)線(xiàn)圈控制信號脈沖寬度調制（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)設計選項，幫助工程師朋友根據電氣系統負載極性?xún)?yōu)化性能。
除了可再生能源存儲應用，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，典型的設計方案包括主接觸器、預充電接觸器、快充接觸器、慢充接觸器和輔助接觸器。
可調節跳閘設定值的接地漏電監測器
在電池儲能系統設計的過(guò)程中，接地也是一種重要的保護措施，不僅能防止人員遭受電擊、設備和線(xiàn)路遭受損壞，并且還能夠幫助系統應對雷擊等突發(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，將雷電電流導入大地。
當然，在系統運行的過(guò)程中，也會(huì )因為絕緣體損壞而導致接地漏電，會(huì )引發(fā)很多潛在的危害，包括危及維護人員的人身安全，引起短路事故，電火花引發(fā)火災等等。在此，我們?yōu)榇蠹彝扑]一款Littelfuse SE-704接地漏電監測器，該器件在貿澤電子平臺上的物料號為SE-704-0D。
圖9：SE-704-0D
（圖源：貿澤電子）
Littelfuse SE-704接地漏電監測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，能夠靈敏地檢測低至10mA的接地故障電流，可用于諧波含量極高的系統。
Littelfuse SE-704接地漏電監測器擁有非常多出色的產(chǎn)品特性，包括可調節跳閘設定值、可調節時(shí)間延遲、CT-Loop監測、諧波濾波等，可提供饋線(xiàn)保護或個(gè)別負載保護，提供輸出觸點(diǎn)以用于跳閘保護回路或報警指示電路。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接地漏電監測器還通過(guò)了UL、CSA、CE和C-Tick認證。
儲能系統良性發(fā)展離不開(kāi)保護電路
無(wú)論是充電樁的快速普及，還是“雙碳”目標下新能源建設的進(jìn)一步提速，都給儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來(lái)了歷史性機會(huì )。上述內容我們曾多次提到，儲能系統的安全尤為重要，這是產(chǎn)業(yè)良性發(fā)展的大前提，一個(gè)穩定可靠的儲能系統需要電子保護元器件提供全方位的保護。借助貿澤電子平臺上極其豐富的保護器件，工程師朋友一定能為儲能系統打造出更合適的安全方案。
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