【導讀】本文將介紹在儲能系統中常用的電子元器件技術特點，并以貿澤電子官網在售的保護器件為例，說明保護器件在儲能系統中的重要性。
隨著充電樁建設普及速度加快，對于電網的沖擊越來越高，特別是快速充電樁，電網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崩潰。而充電負載是脈沖性的，大規模改造電網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是解決充電樁負載對電網沖擊的有效解決方案，利用儲能系統可以通過調節功率峰值，有效避免充電對電網的沖擊。
儲能系統中，以鋰電池為代表的電化學儲能系統發展速度最快。電池儲能系統由兩個主要部分構成：功率轉換系統（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，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特點，并以貿澤電子官網在售的保護器件為例，說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
事實上，不僅是新能源汽車充電樁，可再生能源發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，全球主要國家都在大力倡導發展新能源，包括新能源發電和新能源用電等環節。
從實際應用來看，目前儲能系統已經貫穿發電側、輸電側、配電側和用電側。在發電側，儲能設備最主要的用途是集中式可再生能源并網。可再生能源（如風電、光伏發電等）由于自然資源地理位置分布的不均勻、發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，給電網的供需匹配提出挑戰，而儲能設備與可再生能源發電設備的配合可以實現出力穩定，最大程度上減少棄風棄光。
在電網的輸電側、配電側和用電側，儲能設備可以用于提供電力輔助服務。由于電網接入的發電量和用戶負荷的用電量具有瞬時特性，電網處于不斷的波動變化中。因此，為了保障電力系統的安全穩定運行，需要并網發電廠提供輔助服務，應對充電樁的脈沖性負載就是其中一個方向。
正因為儲能系統具有諸多的應用優勢，新能源發電和汽車電氣化等領域要實現大發展，作為配套的儲能系統必須率先完善起來，迎來發展窗口期。以發展較快的中國市場為例，根據中關村儲能產業技術聯盟（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，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展，在實際應用中逐漸顯露技術優勢。
圖1：電化學儲能技術及發展預期
（圖源：中科院官網）
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、循環壽命長、自放電率小、無記憶效應、綠色環保等優點，一經問世就在消費電子、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CESA前瞻產業研究院的統計數據，目前對于電池儲能而言，主要應用還是在發電側和電網側，占比分別為45%和51%，而用戶側的裝機數占比已經從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前瞻產業研究院）
隨著電池儲能不斷靠向電網側的大規模部署，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題包括過電流、接地故障、電弧閃光和瞬態過電壓，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，被稱為電池保姆或者電池管家的BMS是重要一環。根據《鋰離子電池行業規范條件》，BMS需要能夠實時監測電池的電流、電壓、溫度等故障，并在發現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。
為了實現這些保護功能，幾乎所有BMS系統都會配備保護板。繼續細分的話，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系統具備上述提到的各種保護功能。
此外，應用于發電側和電網側的電池儲能系統大都部署在惡劣的環境中，其中不乏沙漠、戈壁和荒漠等異常嚴峻的環境，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長期有效。還是那句話，目前電池儲能系統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、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
保險絲是一個較為常見的保護性元器件，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，我們為大家推薦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，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
上面內容已經提到，應用于電網側的儲能系統大都部署在環境較為惡劣的環境下，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數微秒的瞬態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，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，在電氣輸出電路中使被控量發生預定的階躍變化。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多種電流規格和高達1800V額定電壓。得益于器件本身的創新設計，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弧；線圈節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熱；提供極性和非極性觸點設計選項，幫助工程師朋友根據電氣系統負載極性優化性能。
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。
可調節跳閘設定值的接地漏電監測器
在電池儲能系統設計的過程中，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應對雷擊等突發事件。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，在系統運行的過程中，也會因為絕緣體損壞而導致接地漏電，會引發很多潛在的危害，包括危及維護人員的人身安全，引起短路事故，電火花引發火災等等。在此，我們為大家推薦一款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品特性，包括可調節跳閘設定值、可調節時間延遲、CT-Loop監測、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接地漏電監測器還通過了UL、CSA、CE和C-Tick認證。
儲能系統良性發展離不開保護電路
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，都給儲能產業發展帶來了歷史性機會。上述內容我們曾多次提到，儲能系統的安全尤為重要，這是產業良性發展的大前提，一個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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