很少有人想到但又必不可少：儲(chǔ)能系統(tǒng)的電氣連接技術(shù)

儲(chǔ)能系統(tǒng)在可再生能源的未來(lái)發(fā)展中起著至關(guān)重要的作用。只有當(dāng)源的波動(dòng)具有高效可靠的存儲(chǔ)系統(tǒng)時(shí)，才能保證穩(wěn)定的能源供應(yīng)。這在很大程度上取決于電連接技術(shù)和能量存儲(chǔ)系統(tǒng)通過(guò)能量和數(shù)據(jù)信息流的典型設(shè)計(jì)（圖 1）。

圖 1：儲(chǔ)能系統(tǒng)必須快速、可靠且經(jīng)濟(jì)。插入式電池連接在其中起著重要作用。（來(lái)源：菲尼克斯電氣）

典型儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通常，原電池儲(chǔ)能系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)（圖 2）。有一些限制，用戶可以將大型存儲(chǔ)系統(tǒng)中的這種模塊化應(yīng)用到更小的家庭存儲(chǔ)系統(tǒng)。第一個(gè)要素是連接電池以增加電流或電壓（圖 3）。這是在這個(gè)非常基本的層面上找到電氣連接的地方。

圖 2：典型的儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)——從機(jī)架中的存儲(chǔ)模塊到帶有外部接口的整個(gè)系統(tǒng)。（來(lái)源：菲尼克斯電氣）

圖 3：帶有電池組、BMS PCB 以及內(nèi)部和外部接口的存儲(chǔ)模塊概覽。（來(lái)源：菲尼克斯電氣）

電池模組

集成在一個(gè)外殼中的大量電池被稱為存儲(chǔ)模塊。電池管理系統(tǒng)或 BMS 監(jiān)視和控制存儲(chǔ)模塊。BMS 監(jiān)督電池單元的充電和放電過(guò)程，以便所有單元均勻充電和放電。這也稱為平衡。為了實(shí)現(xiàn)平衡，每個(gè)并聯(lián)的電池組都是單獨(dú)控制的。除了正極和負(fù)極這兩個(gè)連接之外，BMS 還與各個(gè)電池組有大量連接（見(jiàn)圖 3）。

邏輯系統(tǒng)處理有關(guān)電池模塊狀態(tài)的所有信息。每個(gè) BMS 都需要一個(gè)數(shù)據(jù)接口。數(shù)據(jù)和電源連接從 BMS PCB 路由到模塊外殼。螺絲連接用于電源，而插件主要用于數(shù)據(jù)接口。

在機(jī)架中將電池模塊連接在一起

單個(gè)電池模塊的電壓通常在 24V 至 96V 的范圍內(nèi)。但是，系統(tǒng)電壓通常要高得多。因此，多個(gè)電池模塊串聯(lián)連接，在大多數(shù)情況下，物理集成到相應(yīng)的機(jī)架中（見(jiàn)圖 2）。各個(gè)模塊也連接在一起以進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，每個(gè)模塊至少有一條數(shù)據(jù)線。

每個(gè)機(jī)架還包括一個(gè)控制器——稱為機(jī)架 BMS。機(jī)架 BMS 旨在通過(guò)電源連接連接到指定的電池模塊。一個(gè)額外的電源接口將機(jī)架連接到更高級(jí)別的系統(tǒng)。機(jī)架 BMS 具有多個(gè)用于數(shù)據(jù)流量的數(shù)據(jù)接口和多個(gè)傳感器技術(shù)輸入。從機(jī)架 BMS 外殼上的外部接口，連接在內(nèi)部路由回各種 PCB。

儲(chǔ)能系統(tǒng)

根據(jù)規(guī)模，將多個(gè)存儲(chǔ)架集成在一起，形成一個(gè)更高級(jí)別的系統(tǒng)。這也有自己的控制器，用于充電和放電的遠(yuǎn)程通信。應(yīng)包括空調(diào)設(shè)備以及火災(zāi)傳感器和滅火設(shè)備。

多種不同的電氣連接對(duì)系統(tǒng)組件和存儲(chǔ)系統(tǒng)的外部連接起著至關(guān)重要的作用。一種誤解是只需要考慮功率流，但事實(shí)并非如此。使用存儲(chǔ)系統(tǒng)與太陽(yáng)能或風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的電網(wǎng)的數(shù)字連接，可以最有效地利用儲(chǔ)能系統(tǒng)。

潛在的連接技術(shù)錯(cuò)誤及其后果

連接技術(shù)中潛在錯(cuò)誤的數(shù)量是絕對(duì)可控的。出錯(cuò)的概率取決于所用組件的質(zhì)量、應(yīng)用技術(shù)的設(shè)計(jì)以及用戶的資格。避免復(fù)雜電子系統(tǒng)出現(xiàn)故障的基本先決條件是設(shè)備設(shè)計(jì)。首先要了解連接技術(shù)的優(yōu)勢(shì)、環(huán)境要求（如果暴露在潮濕環(huán)境中會(huì)腐蝕）和防護(hù)等級(jí)。此外，還要考慮未擰緊或維護(hù)螺栓/螺釘?shù)?a target="_blank">連接器上的振動(dòng)（圖 4）。

圖 4：使用螺釘連接時(shí)，由于接觸電阻增加，溫度升高的風(fēng)險(xiǎn)增加。（來(lái)源：菲尼克斯電氣）

成本優(yōu)化

由于錯(cuò)誤導(dǎo)致儲(chǔ)能系統(tǒng)故障甚至完全破壞是最壞的情況。次優(yōu)的設(shè)計(jì)或系統(tǒng)狀態(tài)也可能導(dǎo)致在大多數(shù)情況下很容易避免的隱性成本。

這里以電池模塊的外部電源連接器為例。即使設(shè)計(jì)正確且符合指令的連接也可能導(dǎo)致每個(gè)模塊在整個(gè)使用壽命期間損失超過(guò) 1,000 kWh。對(duì)更高質(zhì)量連接器的初始投資很快就能收回成本。

概括

連接技術(shù)的設(shè)計(jì)、質(zhì)量和正確使用與這些系統(tǒng)的成本、可靠性和效率密切相關(guān)。最初看似成本低廉的妥協(xié)往往會(huì)導(dǎo)致高昂的運(yùn)行成本和系統(tǒng)故障。在設(shè)計(jì)儲(chǔ)能系統(tǒng)各級(jí)的連接技術(shù)時(shí)，使用熟練的制造商非常重要。Phoenix Contact 可以提供構(gòu)建完整儲(chǔ)能系統(tǒng)所需的所有連接器。

作者

Rüdiger Meyer 博士，Phoenix Contact GmbH & Co. KG
Rüdiger Meyer 博士是一名電氣工程師，在可再生能源（太陽(yáng)能、儲(chǔ)能）領(lǐng)域擁有超過(guò) 25 年的經(jīng)驗(yàn)。Meyer 博士目前在德國(guó)布隆貝格的 Phoenix Contact GmbH & Co. KG 擔(dān)任應(yīng)用專家儲(chǔ)能業(yè)務(wù)領(lǐng)域 DC。在菲尼克斯電氣任職期間，他曾擔(dān)任 BVES（德國(guó)儲(chǔ)能協(xié)會(huì)）、BSW（德國(guó)太陽(yáng)能協(xié)會(huì)，“儲(chǔ)能”工作組）和 ZVEI（德國(guó)電氣電子制造商協(xié)會(huì)，“電池分會(huì)”）的代表”）。此外，Meyer 博士還在 DKE（德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)）UK 261.1 以及 IEC TC 120 MT8 中積極開展儲(chǔ)能系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化工作。

審核編輯黃昊宇