模塊化電池儲能系統(tǒng) (BESS) 在住宅、工業(yè)和公用事業(yè)級裝置中的使用正在不斷增長。BESS 由多個(gè)相互連接的電池模塊組成,用于主電網(wǎng)故障時(shí)用作備用電源,調(diào)節(jié)工業(yè)環(huán)境中的能源使用峰值,并支持風(fēng)能、太陽能等可再生能源的并網(wǎng)。雖然這種系統(tǒng)的模塊化結(jié)構(gòu)能夠簡化安裝,實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展并支持有效更換老舊的電池模塊,但設(shè)計(jì)人員需要特別注意對電池電極連接器的選擇。
除了滿足最新的安全和性能標(biāo)準(zhǔn),以及堅(jiān)固耐用、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠之外,設(shè)計(jì)人員還需要考慮連接器的方向靈活性和承受多次插入/拔出操作的能力,同時(shí)保持最小的電接觸電阻以防止過熱。此外,為確保用戶安全,還應(yīng)滿足反極性保護(hù)、完全防觸摸等功能的要求。
本文將討論與 BESS 模塊連接有關(guān)的問題。然后,介紹并展示如何使用 Phoenix Contact 為 BESS 應(yīng)用而設(shè)計(jì)的一系列插拔式電池電極連接器。
電池電極連接器的性能要求
住宅、商業(yè)和公用事業(yè)應(yīng)用對電池電極連接器的性能要求各不相同(表 1)。雖然安全是所有應(yīng)用的最優(yōu)先考慮事項(xiàng),但極高的靈活性更有利于住宅安裝。在商業(yè) BESS 設(shè)計(jì)中,維護(hù)方面的考慮很重要。公用事業(yè)級 BESS 在安裝方面不太強(qiáng)調(diào)靈活性,但總體上是要求最高的應(yīng)用,期望快速安裝(作業(yè)時(shí)間短)、安全性高、故障率低、成本低且維護(hù)高效。選擇正確的連接解決方案對于滿足不同的性能需求至關(guān)重要。
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表 1:不同的應(yīng)用對 BESS 連接器的性能要求各不相同。正確的電池電極連接器能夠滿足所有三類應(yīng)用的需求。(圖片來源:Phoenix Contact)
接線片式電纜連接組件是連接 BESS 中電池模塊的常用方法(圖 1)。接線片式連接器相對便宜,但在 BESS 裝置中使用時(shí)存在幾個(gè)缺點(diǎn):
- 這種連接器的標(biāo)準(zhǔn)化程度低,缺乏應(yīng)用靈活性
- 手動(dòng)連接和擰緊每個(gè)接線柱螺母的過程非常耗時(shí),而且容易出現(xiàn)接線錯(cuò)誤。
- 如果螺母沒有正確擰緊,連接處會有很高的電阻,從而導(dǎo)致過熱。
- 接線片式連接器直接暴露于外界環(huán)境中,無任何保護(hù);當(dāng)在戶外使用時(shí),插片式連接器的可靠性會因?yàn)楸┞对诨覊m或低壓水柱以及冷凝和水霧環(huán)境中而降低。
- 接線片式連接器不是觸摸安全式器件,不符合現(xiàn)有安全標(biāo)準(zhǔn),容易造成安裝人員和維修人員觸電。
為了克服接線片式連接器的缺點(diǎn),設(shè)計(jì)人員可以使用 Phoenix Contact 專門設(shè)計(jì)的插拔式電池電極連接器,以滿足消費(fèi)、商業(yè)/工業(yè)和公用事業(yè) BESS 裝置的要求。
這種連接器具有良好的可觸及性和靈活性,可以從任何方向與電池電極連接以實(shí)現(xiàn)快速安裝,且觸電阻低。這種連接器具有反極性保護(hù)功能并且完全防觸摸,從而能確保操作安全。IP65 級外殼不僅防塵,還能防止來自任何方向的低壓水柱,防止冷凝和水霧。
這種連接器通過了國際電工委員會 (IEC) 的 III 過電壓評級,能夠承受固定裝置中的瞬態(tài)電壓,如放置 BESS 的戶外機(jī)柜。這種連接器達(dá)到了 IEC 60664-1 的 2 級污染要求,因此適用于只發(fā)生非導(dǎo)電污染的環(huán)境,且偶爾可能會出現(xiàn)由冷凝引起的臨時(shí)導(dǎo)電情況除外。
Phoenix Contact 的插拔式電池電極連接器有彩色編碼和機(jī)械鍵銷,以防止交叉接線;而且這種連接器可以方便地插入觸摸保護(hù)型插座并鎖定到位。
這種連接器可以根據(jù)需要旋轉(zhuǎn) 360?,因此能夠進(jìn)一步簡化和加快安裝。與接線片式連接器相比,使用電池電極連接器在一般情況下可節(jié)省四分之三的安裝時(shí)間。典型的工業(yè)或商業(yè)電池架可以有包含 10 到 12 個(gè)模塊,而在集裝箱中的一個(gè)公用事業(yè)級 BESS 裝置則包含數(shù)百或數(shù)千個(gè)電池模塊。在此類應(yīng)用中,使用專門設(shè)計(jì)的電池電極連接器與接線片式連接器相比,可以節(jié)省大量的安裝時(shí)間和成本。
這種插拔式電池電極連接器具有低接觸電阻的特點(diǎn),運(yùn)行高度可靠、安全,包括可防止意外斷開的主動(dòng)式鎖定機(jī)構(gòu)(圖 4)。這種連接器的電氣額定值為 1500 VDC、120 A,可執(zhí)行 100 次以上插入/拔出操作,且所需插入力 ≤ 75 N,拔出力 ≥10 N。
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圖 :這些插拔式電池電極連接器配備了主動(dòng)鎖定機(jī)構(gòu):左側(cè) (A) 所示為鎖定機(jī)構(gòu)/釋放桿處于鎖定狀態(tài);中間 (C) 所示為斷開情況;連接器斷開是通過將鎖定機(jī)構(gòu)(右側(cè) B)向配接界面滑動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。(圖片來源:Phoenix Contact)
電池電極連接器的例子
Phoenix Contact 的電池電極連接器系統(tǒng)由成對的電纜連接器和具有鍍銀觸點(diǎn)的面板安裝連接器組成,其總接觸電阻為 ≤5 mΩ。這種連接器符合 UL 4128 標(biāo)準(zhǔn),即最新的 UL 電池應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。在這之前,大多數(shù)電池連接器執(zhí)行 UL1977 標(biāo)準(zhǔn),這是一個(gè)更普遍的標(biāo)準(zhǔn),規(guī)定最大額定電壓為 1,000 VDC。Phoenix Contact 電池電極連接器的額定電壓為 1500 VDC,符合 UL 4128 標(biāo)準(zhǔn)。除了符合最新的 UL 4128 標(biāo)準(zhǔn)(如下所列)外,這種電池電極連接器還滿足重要的 BESS 相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)要求,具體包括:
EN61984 - 連接器 - 安全要求和測試
IEC 62933 - 蓄能 (EES) 系統(tǒng)
IEC 63066 - 用于可移動(dòng)蓄能裝置的低電壓對接連接器
UL 9540 - 蓄能系統(tǒng)和設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)
UL 4128 - 用于電化學(xué)電池系統(tǒng)應(yīng)用的電池間和層間連接器的調(diào)查大綱
如 1106307 等電纜連接器為黑色,用于負(fù)極,而 1106306 連接器為橙色,用于正極(圖 5)。電纜連接器上的壓接端子可連接 16 mm2和 25 mm2 電纜,剝線長度為 22 mm?;瑒?dòng)式鎖定機(jī)構(gòu)可防止連接意外斷開。
除了滿足安裝人員和系統(tǒng)集成商的技術(shù)要求外,面板安裝型電池電極連接器讓 BESS 系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠靈活地在系統(tǒng)內(nèi)選擇母線或螺柱附件(圖 6)。與電纜連接器一樣,面板安裝型連接器的正電極為橙色(可選擇母線,如 1130816,或螺柱附件,如 1106303),負(fù)電極為黑色(可選擇母線,如 1130814,或螺柱附件,如 1106304)。
電池電極連接器系統(tǒng)的特性和優(yōu)勢匯總:
- 與接線片式連接器相比,安裝時(shí)間快了 75%,降低了安裝成本
- 顏色編碼便于識別極性:
- 橙色 (+) 正極
- 黑色 (-) 負(fù)極
- 黑色和橙色具有獨(dú)特的接口,可防止交叉配接
- 主動(dòng)式鎖定機(jī)構(gòu)可防止連接意外斷開
- 電纜連接器提供 16 mm2 和 25 mm2 導(dǎo)線規(guī)格的壓接端子
- 連接器系統(tǒng)配接后可 360° 旋轉(zhuǎn),以簡化安裝
- 可執(zhí)行 100 次以上插入/拔出操作,需插入力 ≤ 75 N,拔出力 ≥10 N。
- 完全防觸摸設(shè)計(jì),保證操作者安全
- IP65 級外殼保護(hù)系統(tǒng)不受環(huán)境影響
- 鍍銀觸點(diǎn),接觸電阻 ≤ 5 mΩ,連接接口可靠
- 符合 IEC 標(biāo)準(zhǔn)的 120 A 和 1500 VDC
- 工作溫度范圍:-40°C 至 +125°C
設(shè)計(jì)和應(yīng)用注意事項(xiàng)
為了確保安全、可靠地運(yùn)行,設(shè)計(jì)和安裝人員在使用插拔式電池電極連接器系統(tǒng)時(shí),需要考慮幾以下個(gè)因素:
不要帶載連接或斷開連接器。
通電之前,連接器必須完全插入并互鎖。
在正常運(yùn)行情況下,連接器發(fā)熱溫和。在高溫環(huán)境條件下,連接器會持續(xù)變熱。如果預(yù)計(jì)在高環(huán)境溫度下使用連接器,則可能需要如 DIN EN ISO 13732-1:2008-12 規(guī)定的燙傷警告。
應(yīng)在未使用的連接器上安裝保護(hù)帽。
電纜組件中的連接器張力載荷不能超過規(guī)范中規(guī)定的上限。
結(jié)論
隨著 BESS 系統(tǒng)的部署加速,以確??煽康碾娏Σ∵m應(yīng)可再生能源,設(shè)計(jì)人員需要更多地關(guān)注這些模塊化電池系統(tǒng)對電池電極連接器的要求。使用插拔式電池電極連接器,設(shè)計(jì)人員可以滿足核心安全和性能要求,同時(shí)也滿足住宅、商業(yè)/工業(yè)和公用事業(yè) BESS 裝置的可靠性、擴(kuò)展性、維護(hù)、環(huán)境和成本要求。
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