如何使用插拔式电池电极连接器确保安全、高效地部署模块化 BESS

作者：Jeff Shepard

模块化电池储能系统 (BESS) 在住宅、工业和公用事业级装置中的使用正在不断增长。BESS 由多个相互连接的电池模块组成，用于主电网故障时用作备用电源，调节工业环境中的能源使用峰值，并支持风能、太阳能等可再生能源的并网。虽然这种系统的模块化结构能够简化安装，实现扩展并支持有效更换老旧的电池模块，但设计人员需要特别注意对电池电极连接器的选择。

除了满足最新的安全和性能标准，以及坚固耐用、经济实惠之外，设计人员还需要考虑连接器的方向灵活性和承受多次插入/拔出操作的能力，同时保持最小的电接触电阻以防止过热。此外，为确保用户安全，还应满足反极性保护、完全防触摸等功能的要求。

本文将讨论与 BESS 模块连接有关的问题。然后，介绍并展示如何使用 Phoenix Contact 为 BESS 应用而设计的一系列插拔式电池电极连接器。

电池电极连接器的性能要求

住宅、商业和公用事业应用对电池电极连接器的性能要求各不相同（表 1）。虽然安全是所有应用的最优先考虑事项，但极高的灵活性更有利于住宅安装。在商业 BESS 设计中，维护方面的考虑很重要。公用事业级 BESS 在安装方面不太强调灵活性，但总体上是要求最高的应用，期望快速安装（作业时间短）、安全性高、故障率低、成本低且维护高效。选择正确的连接解决方案对于满足不同的性能需求至关重要。

表 1：不同的应用对 BESS 连接器的性能要求各不相同。正确的电池电极连接器能够满足所有三类应用的需求。（图片来源：Phoenix Contact）

接线片式电缆连接组件是连接 BESS 中电池模块的常用方法（图 1）。接线片式连接器相对便宜，但在 BESS 装置中使用时存在几个缺点：

· 这种连接器的标准化程度低，缺乏应用灵活性
· 手动连接和拧紧每个接线柱螺母的过程非常耗时，而且容易出现接线错误。
· 如果螺母没有正确拧紧，连接处会有很高的电阻，从而导致过热。
· 接线片式连接器直接暴露于外界环境中，无任何保护；当在户外使用时，插片式连接器的可靠性会因为暴露在灰尘或低压水柱以及冷凝和水雾环境中而降低。
· 接线片式连接器不是触摸安全式器件，不符合现有安全标准，容易造成安装人员和维修人员触电。

图 1：用电缆插头组件连接模块化 BESS 很费时，而且容易出现连接错误，且插片连接器本身并不具有触摸安全性。（图片：Phoenix Contact）

为了克服接线片式连接器的缺点，设计人员可以使用 Phoenix Contact 专门设计的插拔式电池电极连接器，以满足消费、商业/工业和公用事业 BESS 装置的要求（图 2）。

图 2：用于 BESS 的插拔式电池电极连接器突破了接线片式连接器的局限性，可满足消费者、工业和公用事业装置的性能要求。（图片来源：Phoenix Contact）

这种连接器具有良好的可触及性和灵活性，可以从任何方向与电池电极连接以实现快速安装，且触电阻低。这种连接器具有反极性保护功能并且完全防触摸，从而能确保操作安全。IP65 级外壳不仅防尘，还能防止来自任何方向的低压水柱，防止冷凝和水雾。

这种连接器通过了国际电工委员会 (IEC) 的 III 过电压评级，能够承受固定装置中的瞬态电压，如放置 BESS 的户外机柜。这种连接器达到了 IEC 60664-1 的 2 级污染要求，因此适用于只发生非导电污染的环境，且偶尔可能会出现由冷凝引起的临时导电情况除外。

Phoenix Contact 的插拔式电池电极连接器有彩色编码和机械键销，以防止交叉接线；而且这种连接器可以方便地插入触摸保护型插座并锁定到位（图 3）。

图 3：这种插拔式电池电极连接器采用机械键销和颜色编码，可防止交叉接线。当把这种连接器插入触摸保护型插座并锁定到位时，会发出“咔哒”声。（图片来源：Phoenix Contact）

这种连接器可以根据需要旋转 360˚，因此能够进一步简化和加快安装。与接线片式连接器相比，使用电池电极连接器在一般情况下可节省四分之三的安装时间。典型的工业或商业电池架可以有包含 10 到 12 个模块，而在集装箱中的一个公用事业级 BESS 装置则包含数百或数千个电池模块。在此类应用中，使用专门设计的电池电极连接器与接线片式连接器相比，可以节省大量的安装时间和成本。

这种插拔式电池电极连接器具有低接触电阻的特点，运行高度可靠、安全，包括可防止意外断开的主动式锁定机构（图 4）。这种连接器的电气额定值为 1500 VDC、120 A，可执行 100 次以上插入/拔出操作，且所需插入力 ≤ 75 N，拔出力 ≥10 N。

图 4：这些插拔式电池电极连接器配备了主动锁定机构：左侧 (A) 所示为锁定机构/释放杆处于锁定状态；中间 (C) 所示为断开情况；连接器断开是通过将锁定机构（右侧 B）向配接界面滑动实现的。（图片来源：Phoenix Contact）

电池电极连接器的例子

Phoenix Contact 的电池电极连接器系统由成对的电缆连接器和具有镀银触点的面板安装连接器组成，其总接触电阻为 ≤5 mΩ。这种连接器符合 UL 4128 标准，即最新的 UL 电池应用标准。在这之前，大多数电池连接器执行 UL1977 标准，这是一个更普遍的标准，规定最大额定电压为 1,000 VDC。Phoenix Contact 电池电极连接器的额定电压为 1500 VDC，符合 UL 4128 标准。除了符合最新的 UL 4128 标准（如下所列）外，这种电池电极连接器还满足重要的 BESS 相关国际标准要求，具体包括：

· EN61984 - 连接器 - 安全要求和测试
· IEC 62933 - 蓄能 (EES) 系统
· IEC 63066 - 用于可移动蓄能装置的低电压对接连接器
· UL 9540 - 蓄能系统和设备的标准
· UL 4128 - 用于电化学电池系统应用的电池间和层间连接器的调查大纲

如 1106307 等电缆连接器为黑色，用于负极，而 1106306 连接器为橙色，用于正极（图 5）。电缆连接器上的压接端子可连接 16 mm2和 25 mm2 电缆，剥线长度为 22 mm。滑动式锁定机构可防止连接意外断开。

图 5：电池电极连接器系统的电缆连接器部分为橘黄色时用于电池正电极（图片上方），为黑色时用于负电极。该连接器系统配备一个滑动式锁定机构（连接器左上方），可防止连接意外断开。（图片来源：Phoenix Contact）

除了满足安装人员和系统集成商的技术要求外，面板安装型电池电极连接器让 BESS 系统设计人员能够灵活地在系统内选择母线或螺柱附件（图 6）。与电缆连接器一样，面板安装型连接器的正电极为橙色（可选择母线，如 1130816，或螺柱附件，如 1106303），负电极为黑色（可选择母线，如 1130814，或螺柱附件，如 1106304）。

图 6：可选择母线（左）或螺柱（右）系统连接的面板安装型电池电极连接器部分的图片。（图片来源：Phoenix Contact）

电池电极连接器系统的特性和优势汇总：

与接线片式连接器相比，安装时间快了 75%，降低了安装成本
颜色编码便于识别极性：
橙色 (+) 正极
黑色 (-) 负极
黑色和橙色具有独特的接口，可防止交叉配接
主动式锁定机构可防止连接意外断开
电缆连接器提供 16 mm2 和 25 mm2 导线规格的压接端子
连接器系统配接后可 360° 旋转，以简化安装
可执行 100 次以上插入/拔出操作，需插入力 ≤ 75 N，拔出力 ≥10 N。
完全防触摸设计，保证操作者安全
IP65 级外壳保护系统不受环境影响
镀银触点，接触电阻 ≤ 5 mΩ，连接接口可靠
符合 IEC 标准的 120 A 和 1500 VDC
工作温度范围：-40°C 至 +125°C

设计和应用注意事项

为了确保安全、可靠地运行，设计和安装人员在使用插拔式电池电极连接器系统时，需要考虑几以下个因素：

不要带载连接或断开连接器。
通电之前，连接器必须完全插入并互锁。
在正常运行情况下，连接器发热温和。在高温环境条件下，连接器会持续变热。如果预计在高环境温度下使用连接器，则可能需要如 DIN EN ISO 13732-1:2008-12 规定的烫伤警告。
应在未使用的连接器上安装保护帽。
电缆组件中的连接器张力载荷不能超过规范中规定的上限。

结论

随着 BESS 系统的部署加速，以确保可靠的电力病适应可再生能源，设计人员需要更多地关注这些模块化电池系统对电池电极连接器的要求。使用插拔式电池电极连接器，设计人员可以满足核心安全和性能要求，同时也满足住宅、商业/工业和公用事业 BESS 装置的可靠性、扩展性、维护、环境和成本要求。