储能系统良性发展，离不开保护电路
【导读】本文将介绍在储能系统中常用的电子元器件技术特点，并以贸泽电子官网在售的保护器件为例，说明保护器件在储能系统中的重要性。
随着充电桩建设普及速度加快，对于电网的冲击越来越高，特别是快速充电桩，电网需要提供的局部充电峰值功率可能超过1MW，这样的冲击可能导致电网崩溃。而充电负载是脉冲性的，大规模改造电网负载能力以满足快充需求所需成本过高，在充电桩建设时搭配储能系统是解决充电桩负载对电网冲击的有效解决方案，利用储能系统可以通过调节功率峰值，有效避免充电对电网的冲击。
储能系统中，以锂电池为代表的电化学储能系统发展速度最快。电池储能系统由两个主要部分构成：功率转换系统（PCS）可进行交流/直流和直流/交流转换，电能进入电池，对电池进行充电，或电池储存的能量转换为交流电，输回电网，合适的电力装置解决方案取决于所支持的电压和功率流情况；电池管理系统（BMS）具有电池充电、平衡和健康度监测功能，并配有微处理器，负责系统控制和通信，该系统提供的基本元件能够将储能系统（ESS）集成至较大型的系统。
本文将介绍在储能系统中常用的电子元器件技术特点，并以贸泽电子官网在售的保护器件为例，说明保护器件在储能系统中的重要性。
电池储能系统应用状况与对元器件的要求
事实上，不仅是新能源汽车充电桩，可再生能源发电也是普遍存在间歇性、波动性问题。不过，为了应对气候变化带来的挑战，全球主要国家都在大力倡导发展新能源，包括新能源发电和新能源用电等环节。
从实际应用来看，目前储能系统已经贯穿发电侧、输电侧、配电侧和用电侧。在发电侧，储能设备最主要的用途是集中式可再生能源并网。可再生能源（如风电、光伏发电等）由于自然资源地理位置分布的不均匀、发电高峰时段与用电高峰时段的不完全重合、以及日内波动和不可预测性等，给电网的供需匹配提出挑战，而储能设备与可再生能源发电设备的配合可以实现出力稳定，最大程度上减少弃风弃光。
在电网的输电侧、配电侧和用电侧，储能设备可以用于提供电力辅助服务。由于电网接入的发电量和用户负荷的用电量具有瞬时特性，电网处于不断的波动变化中。因此，为了保障电力系统的安全稳定运行，需要并网发电厂提供辅助服务，应对充电桩的脉冲性负载就是其中一个方向。
正因为储能系统具有诸多的应用优势，新能源发电和汽车电气化等领域要实现大发展，作为配套的储能系统必须率先完善起来，迎来发展窗口期。以发展较快的中国市场为例，根据中关村储能产业技术联盟（CNESA）的统计数据，2021年中国新增投运电力储能项目装机规模首次突破10吉瓦（GW）大关，达到10.5吉瓦，其中新型储能新增规模首次突破2吉瓦，达到2.4吉瓦，同比增长54%。
在新型储能方面，以电池储能为代表的电化学储能是重要的应用技术，在《储能产业研究白皮书2022》中被重点提出。电池储能也就是以电池为载体，完成电能的储存、释放与管理。通过图1能够看到，除了我们较为熟知的锂电池，钠电池、全钒液流电池、锌基液流电池、铅炭电池等技术也在飞速发展，在实际应用中逐渐显露技术优势。
图1：电化学储能技术及发展预期
（图源：中科院官网）
当然，在电池储能方面，锂离子电池目前技术更为成熟且应用范围更广。锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长、自放电率小、无记忆效应、绿色环保等优点，一经问世就在消费电子、交通等领域迅速展开部署，更是新能源汽车发展的支柱性技术，在储能领域具有广阔的应用前景。
从市场情况来看，根据CESA前瞻产业研究院的统计数据，目前对于电池储能而言，主要应用还是在发电侧和电网侧，占比分别为45%和51%，而用户侧的装机数占比已经从2018年的26.7%下降至2021年的4%。
图2：中国储能电池下游应用占比
（图源：CESA前瞻产业研究院）
随着电池储能不断靠向电网侧的大规模部署，电池能量比和功率比快速提升，这给系统的稳定运行提出了极大的挑战，如何杜绝各种安全隐患成为电池储能系统部署的重中之重。
综合而言，电池储能系统的主要安全问题包括过电流、接地故障、电弧闪光和瞬态过电压，以及温度过高。如果这些问题不能得到很好地解决，那么便会出现火灾隐患、爆炸隐患、中毒隐患和触电隐患等。
如上所述，电池储能系统主要由功率转换系统（PCS）和电池管理系统（BMS）两部分组成。要保证系统的稳定安全，被称为电池保姆或者电池管家的BMS是重要一环。根据《锂离子电池行业规范条件》，BMS需要能够实时监测电池的电流、电压、温度等故障，并在发现故障的瞬间对劣化电池模块进行隔离，将风险降到最低。为此，BMS系统主要提供五大保护功能：确定过流和放电条件，确定过充和释放条件，确定过充保护失效，确定过放电、欠压和补充条件，以及确定超温保护和释放条件。
为了实现这些保护功能，几乎所有BMS系统都会配备保护板。继续细分的话，保护板上也会分为控制模块、充放电开关、均衡模块和连接器输入模块等。到了元器件级别，BMS保护板上搭载的元器件主要是主控IC、MOS管、电容、电阻、电源管理IC和保护芯片，其中保护芯片主要是保险丝、浪涌保护器、继电器和隔离器件等。这些器件通过具体的电路搭配在一起，就能够让BMS系统具备上述提到的各种保护功能。
此外，应用于发电侧和电网侧的电池储能系统大都部署在恶劣的环境中，其中不乏沙漠、戈壁和荒漠等异常严峻的环境，因此上述提到的各种器件也需要具备极高的稳定性和可靠性，保证电池储能系统的BMS长期有效。还是那句话，目前电池储能系统以锂离子电池技术为主导，但锂离子电池的材料特性决定了其对保护措施的高要求，无论是BMS系统、保护板还是相关的元器件，容不得一丝马虎。
那么，接下来我们就为大家推荐几款贸泽电子平台在售的、可用于BMS系统的保护器件，它们均是来自制造商Littelfuse，这些高可靠、性能出色的保护器件，是广大工程师朋友打造行业出色的电池储能系统的基石。
可用于储能系统的PSR高速方形保险丝
保险丝是一个较为常见的保护性元器件，在储能系统中也是不可或缺的。在储能系统中，保险丝可以用于多个方面，比如保护系统的功率器件，如IGBT、MOS管等，也能够用于保护直流滤波电容等基础器件。此外，三端保险丝REP还是BMS系统二次保护的核心器件。
今天，我们为大家推荐的是一款专为保护功率半导体器件而设计的Littelfuse PSR系列高速方形保险丝，该器件在贸泽电子平台上的物料号为PSR071FS0350Z，大家可以通过搜索此编号快速找到这颗器件。
图3：PSR071FS0350Z
（图源：贸泽电子）
Littelfuse PSR高速方形保险丝实现了极强的电流限制能力与均衡性能水平的完美融合，与同类产品相比，拥有更好的直流能力、卓越的循环能力、低功率损耗设计以及直观、可选的微型开关保险丝熔断指示等优越性能。Littelfuse PSR系列高速方形保险丝可用于保护二极管、三端双向可控硅、IGBT、SCR、MOSFET以及其他通常用于功率转换和功率调节设备的固态器件等广泛的功率器件，这些灵敏的功率半导体器件无法耐受任何线路浪涌或过流，并且需要高速保护。
Littelfuse PSR系列高速方形保险丝拥有DIN端子、螺栓端子、平头端子三种不同的设计方式，以满足额定电压、额定电流和分断电流等方面的不同需求。当然，这些高速方形保险丝均通过了cURus、CCC、IEC全球认证，符合美国和加拿大标准要求，并达到IEC60269-4级标准的aR级性能。
图4：DIN端子款式
（图源：贸泽电子）
图5：螺栓端子款式
（图源：贸泽电子）
图6：平头端子款式
（图源：贸泽电子）
除了可用于储能系统的电池保护应用，Littelfuse PSR系列高速方形保险丝在UPS、逆变器、整流器、驱动器等功率转换器件，直流母线、直流注入制动等直流注入系统，电动汽车充电站，加热器和电源等领域均可提供出色的保护功能。
带有钳位功能的可插拔浪涌保护器件
上面内容已经提到，应用于电网侧的储能系统大都部署在环境较为恶劣的环境下，雷击等外部干扰会突然产生尖峰电流或者电压。如果不加以处理，这些电流或电压会对系统中的电子设备、仪器仪表、通讯线路等关键设备造成巨大的危害，因此需要浪涌保护器对它们进行保护。
下面为大家推荐一款可针对持续数微秒的瞬态过压事件提供设备保护和过压限制的Littelfuse可插拔浪涌保护器件（SPD），该器件在贸泽电子上的物料号为SPD2-350-1P1-R。这些SPD有单极和多极可插拔模块可供选择，提供Class 2/Type2/Type 1 CA保护等级。Littelfuse可插拔SPD还具有额外的保护特性，如热保护和IP20防护等级。通过限制设备在这些事件发生时的过电压，成本高昂的设备损坏和停工可以得到减少。此外，由于采用手指触摸安全设计，因此可增强对工人的防护。
图7：SPD2-350-1P1-R
（图源：贸泽电子）
在产品特性方面，Littelfuse可插拔浪涌保护器件采用联锁片机制、紧凑占位和可视寿命指示灯，具有较高的设计灵活性和抗振性。同时，这些SPD具有钳位功能，并可承受高能量瞬态，可确保低残余电压（在高能量浪涌事件期间）和更高的标称放电电流，以防止设备的中断、停机和性能下降。Littelfuse采用1+1配置的浪涌保护器件可用于60V至277V标称电压的子配电板应用。
DCN大电流高压直流接触式继电器
储能系统和普通EV系统的电池系统功能相同，也就是充电和放电，因此继电器就成为系统中必要的一部分。继电器是一种电控制器件，当输入量（激励量）的变化达到规定要求时，在电气输出电路中使被控量发生预定的阶跃变化。在电池储能系统的BMS充电电路中，一般会用到正极继电器、负极继电器和预充继电器三个类型，通过信号控制完成闭合或打开，以完成系统充电。
接下来这款器件便是适用于可再生能源存储应用的Littelfuse DCN大电流高压直流接触式继电器，贸泽电子平台上该器件的物料号为DCNEVT500-CA。
图8：DCNEVT500-CA
（图源：贸泽电子）
Littelfuse DCN大电流高压直流接触式继电器具有30A至500A多种电流规格和高达1800V额定电压。得益于器件本身的创新设计，该继电器结构紧凑、体积小、重量轻，可方便地集成到各种大电流、高压电气系统中。
在产品特性方面，Littelfuse DCN接触式继电器采用磁吹灭弧和密封充气灭弧室设计，可快速熄灭触点之间的电弧；线圈节能器通过线圈控制信号脉冲宽度调制（PWM），大幅降低了线圈功耗和发热；提供极性和非极性触点设计选项，帮助工程师朋友根据电气系统负载极性优化性能。
除了可再生能源存储应用，Littelfuse DCN接触式继电器还可用于电动汽车（EV）、混合动力汽车（HEV）、电动叉车、充电站等领域，典型的设计方案包括主接触器、预充电接触器、快充接触器、慢充接触器和辅助接触器。
可调节跳闸设定值的接地漏电监测器
在电池储能系统设计的过程中，接地也是一种重要的保护措施，不仅能防止人员遭受电击、设备和线路遭受损坏，并且还能够帮助系统应对雷击等突发事件。因此，接地的方式大概分为工作接地、保护接地和防雷接地。以防雷接地为例，我们都知道雷击的危害是巨大的，防雷击的有效措施之一就是接地，将雷电电流导入大地。
当然，在系统运行的过程中，也会因为绝缘体损坏而导致接地漏电，会引发很多潜在的危害，包括危及维护人员的人身安全，引起短路事故，电火花引发火灾等等。在此，我们为大家推荐一款Littelfuse SE-704接地漏电监测器，该器件在贸泽电子平台上的物料号为SE-704-0D。
图9：SE-704-0D
（图源：贸泽电子）
Littelfuse SE-704接地漏电监测器是基于微处理器的接地故障继电器，适用于电阻接地和直接接地系统，能够灵敏地检测低至10mA的接地故障电流，可用于谐波含量极高的系统。
Littelfuse SE-704接地漏电监测器拥有非常多出色的产品特性，包括可调节跳闸设定值、可调节时间延迟、CT-Loop监测、谐波滤波等，可提供馈线保护或个别负载保护，提供输出触点以用于跳闸保护回路或报警指示电路。该器件上具备的模拟输出功能可同PLC或仪表一起使用。此外，Littelfuse SE-704接地漏电监测器还通过了UL、CSA、CE和C-Tick认证。
储能系统良性发展离不开保护电路
无论是充电桩的快速普及，还是“双碳”目标下新能源建设的进一步提速，都给储能产业发展带来了历史性机会。上述内容我们曾多次提到，储能系统的安全尤为重要，这是产业良性发展的大前提，一个稳定可靠的储能系统需要电子保护元器件提供全方位的保护。借助贸泽电子平台上极其丰富的保护器件，工程师朋友一定能为储能系统打造出更合适的安全方案。
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