曾昭愈, 张福兴
华自科技股份有限公司 湖南长沙 410205
摘 要：储能技术的独特优势使得储能产品在很多场景得到应用。电池做为储能的核心，能量密度高\布置空间小，其安全性也是业内关注的焦点，也是目前面临的技术难点。为了提升储能电池簇的安全性及可靠性，本文对电池簇高压盒断路器的选型及容量适配进行重点研究，据此提升电池簇过流、短路保护性能。本文的研究成果不仅能够提高电池簇本身的可靠性、安全性与灵敏性，而且为其他学术界、产业界同人对电池簇安全性的进一步提高提供借鉴。
关键词：储能电池簇；断路器；选型适配
1 引言
随着储能行业的发展，储能技术的独特优势使得储能产品在很多场景得到应用。储能产品也朝着大容量、小体积方向发展，功率密度及能量密度越来越高。电池做为电能量的载体，随着其功率密度及能量密度的增加，其安全性成为了业内首要关注的焦点，也是目前面临的技术难点。在选择电池保护器件时，保护器件的可靠性及灵敏性就显得格外的重要，断路器作为电池簇的过流及短路保护终极保护，其可靠性与灵敏性将对整个电池簇的安全防护起作非常重要的作用。如选择与安装方式不当，在出现故障时不但起不到保护作用，反而会起到相反的作用进一步使故障范围扩大。本文将依据某品牌电池的一些相关参数，通过对一个电池簇短路保护的实例来分析研究储能电池高压盒断路器的选择方法。
2 电池簇设计
2.1 电池簇电气参数需求如下：
电池容量：≥120kWh
电压范围：Umin≥DC640V, Umax≤DC1000V (Umin: 电池簇最低端电压，Umax:电池簇最高端电压）
充放电倍率：0.5C
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2.2 采用该电池模组（PACK） 10个串联组成一个电池簇，如下图所示：
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3 断路器的选择
3.1 参数计算
电池端口电压 Um=864V DC
电池簇额定电流 Ie≥ 0.5C=0.5*172=86A
电池端口的短路电流计算：
IDK=电池端口电压（U）÷电池簇内阻（R） 忽略电池模组连接导体电阻。
IDK=864÷(10*6*10-3)=14.4kA
断路器短路分断能力 Icu≥IDK=14.4kA
3.2 断路器规格选择：
根据上述电气参数计算初步选择断路器规格参数如下：
Ue=1000VDC
In=100A
Icu=20kA
断路器长延时整定电流值 IDZ1=kn*In=1.3*100=130A;
当脱口器类型选B类型时： kn=(4~7)：
可靠性校验：IDK=14.4kA≥kn*In=7*100=700A 满足要求
灵敏性校验：KL=IDK/(7*100)=14400/700=20.5＞1.2 满足要求；
当脱口器类型选C类型时： kn=(7~15)
可靠性校验：IDK=14400A＜kn*In=15*100=15000A 不满足要求；
灵敏性校验：KL=IDK/(15*100)=14400/15000=0.96＜1.2 不满足要求；
故脱口器类型需选择B类型的。
3.3 断路器的安装：
由于交流电与直流电的差异（交流电有过零点而直流电无过零点），导致交流断路器与直流断路器的灭弧原理有差异，一般直流断路器都是有极性的。直流断路器在回路中需要按极性接线，如极性接反将导致灭弧失效起不到保护作用。故在电池充电回路中直流断路器需按反极性连接（PCS 与断路器反极性连接，电池与断路器正极性连接）
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图1 电池簇断路器安装位置及极性示意图
4 结论
根据上述分析及计算，选择如下规格参数的断路器将满足要求：
额定电压 Un=1000V DC
额定电流 In=100A
短路分断能力 Icu=20kA
脱口曲线类型：B类型
安装方式：PCS 与断路器反极性连接，电池与断路器正极性连接
参考文献
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Research on selection method of circuit breaker for energy storage battery cluster
Zeng Zhaoyu, Zhang Fuxing*
Hardware R&D Department,HNAC Technology Co. Ltd.,Changsha, China 410000
Abstract: the unique advantages of energy storage technology make energy storage products applied in many scenarios. As the core of energy storage, battery has high energy density and small layout space. Its safety is also the focus of the industry, and it is also the technical difficulty. In order to improve the safety and reliability of energy storage battery cluster, this paper focuses on the selection and capacity adaptation of high-voltage box circuit breaker of battery cluster, so as to improve the over-current and short-circuit protection performance of battery cluster. The research results of this paper can not only improve the reliability, safety and sensitivity of battery cluster itself, but also provide reference for other scholars and industry to further improve the safety of battery cluster.
Key words: Energy storage battery cluster; circuit breaker; selection and adaptation