【導讀】本文將介紹在儲能系統(tǒng)中常用的電子元器件技術特點，并以貿澤電子官網(wǎng)在售的保護器件為例，說明保護器件在儲能系統(tǒng)中的重要性。
隨著充電樁建設普及速度加快，對于電網(wǎng)的沖擊越來越高，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(guī)模改造電網(wǎng)負載能力以滿足快充需求所需成本過高，在充電樁建設時搭配儲能系統(tǒng)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(tǒng)可以通過調節(jié)功率峰值，有效避免充電對電網(wǎng)的沖擊。
儲能系統(tǒng)中，以鋰電池為代表的電化學儲能系統(tǒng)發(fā)展速度最快。電池儲能系統(tǒng)由兩個主要部分構成：功率轉換系統(tǒng)（PCS）可進行交流/直流和直流/交流轉換，電能進入電池，對電池進行充電，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(tǒng)（BMS）具有電池充電、平衡和健康度監(jiān)測功能，并配有微處理器，負責系統(tǒng)控制和通信，該系統(tǒng)提供的基本元件能夠將儲能系統(tǒng)（ESS）集成至較大型的系統(tǒng)。
本文將介紹在儲能系統(tǒng)中常用的電子元器件技術特點，并以貿澤電子官網(wǎng)在售的保護器件為例，說明保護器件在儲能系統(tǒng)中的重要性。
電池儲能系統(tǒng)應用狀況與對元器件的要求
事實上，不僅是新能源汽車充電樁，可再生能源發(fā)電也是普遍存在間歇性、波動性問題。不過，為了應對氣候變化帶來的挑戰(zhàn)，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(jié)。
從實際應用來看，目前儲能系統(tǒng)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)電高峰時段與用電高峰時段的不完全重合、以及日內波動和不可預測性等，給電網(wǎng)的供需匹配提出挑戰(zhàn)，而儲能設備與可再生能源發(fā)電設備的配合可以實現(xiàn)出力穩(wěn)定，最大程度上減少棄風棄光。
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。由于電網(wǎng)接入的發(fā)電量和用戶負荷的用電量具有瞬時特性，電網(wǎng)處于不斷的波動變化中。因此，為了保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，需要并網(wǎng)發(fā)電廠提供輔助服務，應對充電樁的脈沖性負載就是其中一個方向。
正因為儲能系統(tǒng)具有諸多的應用優(yōu)勢，新能源發(fā)電和汽車電氣化等領域要實現(xiàn)大發(fā)展，作為配套的儲能系統(tǒng)必須率先完善起來，迎來發(fā)展窗口期。以發(fā)展較快的中國市場為例，根據(jù)中關村儲能產業(yè)技術聯(lián)盟（CNESA）的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2021年中國新增投運電力儲能項目裝機規(guī)模首次突破10吉瓦（GW）大關，達到10.5吉瓦，其中新型儲能新增規(guī)模首次突破2吉瓦，達到2.4吉瓦，同比增長54%。
在新型儲能方面，以電池儲能為代表的電化學儲能是重要的應用技術，在《儲能產業(yè)研究白皮書2022》中被重點提出。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、鉛炭電池等技術也在飛速發(fā)展，在實際應用中逐漸顯露技術優(yōu)勢。
圖1：電化學儲能技術及發(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、自放電率小、無記憶效應、綠色環(huán)保等優(yōu)點，一經(jīng)問世就在消費電子、交通等領域迅速展開部署，更是新能源汽車發(fā)展的支柱性技術，在儲能領域具有廣闊的應用前景。
從市場情況來看，根據(jù)CESA前瞻產業(yè)研究院的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，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%，而用戶側的裝機數(shù)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前瞻產業(yè)研究院）
隨著電池儲能不斷靠向電網(wǎng)側的大規(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能系統(tǒng)部署的重中之重。
綜合而言，電池儲能系統(tǒng)的主要安全問題包括過電流、接地故障、電弧閃光和瞬態(tài)過電壓，以及溫度過高。如果這些問題不能得到很好地解決，那么便會出現(xiàn)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(tǒng)主要由功率轉換系統(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需要能夠實時監(jiān)測電池的電流、電壓、溫度等故障，并在發(fā)現(xiàn)故障的瞬間對劣化電池模塊進行隔離，將風險降到最低。為此，BMS系統(tǒng)主要提供五大保護功能：確定過流和放電條件，確定過充和釋放條件，確定過充保護失效，確定過放電、欠壓和補充條件，以及確定超溫保護和釋放條件。
為了實現(xiàn)這些保護功能，幾乎所有BMS系統(tǒng)都會配備保護板。繼續(xù)細分的話，保護板上也會分為控制模塊、充放電開關、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功能。
此外，應用于發(fā)電側和電網(wǎng)側的電池儲能系統(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，保證電池儲能系統(tǒng)的BMS長期有效。還是那句話，目前電池儲能系統(tǒng)以鋰離子電池技術為主導，但鋰離子電池的材料特性決定了其對保護措施的高要求，無論是BMS系統(tǒng)、保護板還是相關的元器件，容不得一絲馬虎。
那么，接下來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(tǒng)的保護器件，它們均是來自制造商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(tǒng)的基石。
可用于儲能系統(tǒng)的PSR高速方形保險絲
保險絲是一個較為常見的保護性元器件，在儲能系統(tǒng)中也是不可或缺的。在儲能系統(tǒng)中，保險絲可以用于多個方面，比如保護系統(tǒng)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(tǒng)二次保護的核心器件。
今天，我們?yōu)榇蠹彝扑]的是一款專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高速方形保險絲實現(xiàn)了極強的電流限制能力與均衡性能水平的完美融合，與同類產品相比，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、可選的微型開關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(jié)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法耐受任何線路浪涌或過流，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(tǒng)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、驅動器等功率轉換器件，直流母線、直流注入制動等直流注入系統(tǒng)，電動汽車充電站，加熱器和電源等領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(tǒng)大都部署在環(huán)境較為惡劣的環(huán)境下，雷擊等外部干擾會突然產生尖峰電流或者電壓。如果不加以處理，這些電流或電壓會對系統(tǒng)中的電子設備、儀器儀表、通訊線路等關鍵設備造成巨大的危害，因此需要浪涌保護器對它們進行保護。
下面為大家推薦一款可針對持續(xù)數(shù)微秒的瞬態(tài)過壓事件提供設備保護和過壓限制的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。通過限制設備在這些事件發(fā)生時的過電壓，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，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(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，當輸入量（激勵量）的變化達到規(guī)定要求時，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(tǒng)的BMS充電電路中，一般會用到正極繼電器、負極繼電器和預充繼電器三個類型，通過信號控制完成閉合或打開，以完成系統(tǒng)充電。
接下來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(guī)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(tǒng)中。
在產品特性方面，Littelfuse DCN接觸式繼電器采用磁吹滅弧和密封充氣滅弧室設計，可快速熄滅觸點之間的電??；線圈節(jié)能器通過線圈控制信號脈沖寬度調制（PWM），大幅降低了線圈功耗和發(fā)熱；提供極性和非極性觸點設計選項，幫助工程師朋友根據(jù)電氣系統(tǒng)負載極性優(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汽車（EV）、混合動力汽車（HEV）、電動叉車、充電站等領域，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(jié)跳閘設定值的接地漏電監(jiān)測器
在電池儲能系統(tǒng)設計的過程中，接地也是一種重要的保護措施，不僅能防止人員遭受電擊、設備和線路遭受損壞，并且還能夠幫助系統(tǒng)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(tǒng)運行的過程中，也會因為絕緣體損壞而導致接地漏電，會引發(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(jiān)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(jiān)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(tǒng)，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(tǒng)。
Littelfuse SE-704接地漏電監(jiān)測器擁有非常多出色的產品特性，包括可調節(jié)跳閘設定值、可調節(jié)時間延遲、CT-Loop監(jiān)測、諧波濾波等，可提供饋線保護或個別負載保護，提供輸出觸點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(jiān)測器還通過了UL、CSA、CE和C-Tick認證。
儲能系統(tǒng)良性發(fā)展離不開保護電路
無論是充電樁的快速普及，還是“雙碳”目標下新能源建設的進一步提速，都給儲能產業(yè)發(fā)展帶來了歷史性機會。上述內容我們曾多次提到，儲能系統(tǒng)的安全尤為重要，這是產業(yè)良性發(fā)展的大前提，一個穩(wěn)定可靠的儲能系統(tǒng)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(tǒng)打造出更合適的安全方案。
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