熱敏電阻與DC-DC轉(zhuǎn)換器在能源存儲(chǔ)系統(tǒng)扮演的角色

在現(xiàn)代能源存儲(chǔ)系統(tǒng) (Energy Storage System, ESS) 中，高效、穩(wěn)定的運(yùn)行對(duì)能源管理與應(yīng)用至關(guān)重要。隨著可再生能源的快速發(fā)展以及對(duì)能源利用效率的日益重視，ESS 正成為實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型的重要技術(shù)支撐。在這一系統(tǒng)中，熱敏電阻與 DC-DC 轉(zhuǎn)換器作為 ESS 的重要組成部分，分別在溫度監(jiān)控和能量轉(zhuǎn)換方面發(fā)揮了不可或缺的作用。本文將探討熱敏電阻與 DC-DC 轉(zhuǎn)換器在 ESS 中的關(guān)鍵角色及其技術(shù)特點(diǎn)，以及由Murata所推出的相關(guān)解決方案。

熱敏電阻協(xié)助進(jìn)行ESS的溫度監(jiān)控與保護(hù)

ESS主要用于儲(chǔ)存電能并提供穩(wěn)定的電力輸出，其核心部分是電池模塊。熱敏電阻（Thermistor）作為一種高敏感度的溫度傳感器，在ESS的電池模塊中扮演著重要的角色。

ESS中使用的大多數(shù)電池（如鋰離子電池）對(duì)溫度非常敏感。熱敏電阻通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池組的溫度，確保電池在安全的溫度范圍內(nèi)工作。此外，電池在充放電過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生熱量，若熱量積累過(guò)多可能引發(fā)熱失控甚至火災(zāi)。熱敏電阻可以在溫度超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)觸發(fā)保護(hù)電路，切斷電源或降低功率輸出。在低溫環(huán)境下，電池性能可能下降甚至受損，熱敏電阻可以監(jiān)測(cè)低溫狀態(tài)并提醒系統(tǒng)啟動(dòng)預(yù)熱功能。

另一方面，熱敏電阻也可用于優(yōu)化電池性能，因?yàn)殡姵氐某浞烹娞匦耘c溫度密切相關(guān)。熱敏電阻提供的溫度數(shù)據(jù)可以幫助系統(tǒng)優(yōu)化充放電參數(shù)，從而提升能源利用效率，并通過(guò)精準(zhǔn)溫度控制，避免因過(guò)熱或過(guò)冷導(dǎo)致的電池老化，從而延長(zhǎng)電池使用壽命。

熱敏電阻對(duì)故障診斷與預(yù)測(cè)性維護(hù)扮演重要角色，若某個(gè)電池單體或區(qū)域的溫度異常升高，熱敏電阻可提供及時(shí)報(bào)警，避免問(wèn)題擴(kuò)大化。此外，熱敏電阻采集的溫度數(shù)據(jù)可用于歷史分析，幫助預(yù)測(cè)電池老化趨勢(shì)或潛在故障點(diǎn)，為運(yùn)維決策提供依據(jù)。

熱敏電阻也可協(xié)助適應(yīng)能源存儲(chǔ)的多樣化場(chǎng)景，因?yàn)镋SS可能被部署在室內(nèi)或戶外，環(huán)境溫度變化較大。熱敏電阻的高靈敏度和廣泛測(cè)溫范圍使其能夠適應(yīng)各種場(chǎng)景。在風(fēng)能、光伏等可再生能源領(lǐng)域，ESS中的熱敏電阻幫助管理電池溫度波動(dòng)，確保系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。

熱敏電阻在ESS應(yīng)用中擔(dān)任溫度傳感的工作

熱敏電阻是一種電阻值隨溫度變化而變化的半導(dǎo)體器件，主要應(yīng)用于溫度傳感和電流控制的領(lǐng)域，可在ESS應(yīng)用中擔(dān)任溫度傳感的工作。根據(jù)電阻值隨溫度變化的方式，熱敏電阻分為兩大類(lèi)，包括正溫度系數(shù)熱敏電阻（PTC thermistor）和負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC thermistor）。

PTC熱敏電阻會(huì)隨著溫度上升，電阻值增加，主要用于過(guò)電流保護(hù)、溫度開(kāi)關(guān)和發(fā)熱器件的自恢復(fù)保護(hù)。在電子器件中，當(dāng)電流超過(guò)額定值時(shí)，回路中與保護(hù)對(duì)象串聯(lián)的PTC其電阻值通過(guò)自身發(fā)熱而上升，可以抑制當(dāng)下的超額電流。此外，PTC熱敏電阻也可作為溫度開(kāi)關(guān)，當(dāng)系統(tǒng)溫度超過(guò)預(yù)定值時(shí)，PTC電阻值增加，也可以觸發(fā)相應(yīng)的開(kāi)關(guān)動(dòng)作。

NTC熱敏電阻則是會(huì)隨溫度上升，電阻值降低。這種特性可用于監(jiān)測(cè)電子器件或設(shè)備的溫度，以確保其正常運(yùn)行。在一些應(yīng)用中，NTC熱敏電阻被用來(lái)補(bǔ)償器件的溫度變化，以維持穩(wěn)定的性能。

熱敏電阻在我們的生活中隨處可見(jiàn)，它不僅被用作溫度計(jì)、空調(diào)中的溫度傳感器件，抑或是智能手機(jī)、熱水壺及熨斗中的溫度控制器件，還可被用于各種電源器件中的電流控制。最近，隨著車(chē)輛電動(dòng)化程度的提高，熱敏電阻越來(lái)越多地被用于電車(chē)項(xiàng)目：如車(chē)載電池包、激光雷達(dá)、等。另熱敏電阻可廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)及能源項(xiàng)目，其中包括電動(dòng)車(chē)快速充電基礎(chǔ)設(shè)施、太陽(yáng)能逆變器、儲(chǔ)能逆變器及電池包等。

Murata推出各種類(lèi)型的熱敏電阻，可滿足ESS應(yīng)用的需求。Murata熱敏電阻產(chǎn)品可分成NTC熱敏電阻與PTC熱敏電阻兩大系列。NTC熱敏電阻包括NCU高信賴性應(yīng)用型、NCP消費(fèi)級(jí)（民生）應(yīng)用型、NCG導(dǎo)電膠實(shí)裝型等。PTC熱敏電阻則有PRF過(guò)熱保護(hù)型與PRG過(guò)流保護(hù)型兩種。其中在車(chē)載，及能源項(xiàng)目上尤NCU系列得到廣泛應(yīng)用。

Murata的NCU系列是SMD型的NTC熱敏電阻。因其特殊結(jié)構(gòu)：外部銅電極帶來(lái)高可靠性，可靈活應(yīng)用于多種需要溫度檢測(cè)且苛刻的使用場(chǎng)景，它是Murata熱敏電阻的主力成員，可用于對(duì)信賴性要求較高的汽車(chē)市場(chǎng)、工業(yè)及能源市場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)寬溫度范圍的溫度檢測(cè)和溫度補(bǔ)償功能。

適用于ESS系統(tǒng)能量傳遞和管理的電源模塊

如今ESS系統(tǒng)主要是以模塊化方案的形式出現(xiàn)，通常ESS系統(tǒng)中包含電池模塊、管理模塊（熱管理/能量管理/電池管理）以及功率轉(zhuǎn)換模塊。例如，在ESS系統(tǒng)的功率轉(zhuǎn)換模塊中主要由MPPT或者3P T inverter來(lái)提供能量轉(zhuǎn)換和傳輸，這其中存在大量SiC或GaN Mos管，這類(lèi)開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電流更大驅(qū)動(dòng)過(guò)程也需要更高效、快速的柵極電壓切換，以減少因延遲而產(chǎn)生的能量損耗。

一個(gè)完備的ESS管理模塊中通常也存在大量的CAN總線、RS485、RS232接口，以及MCU、Cell監(jiān)控芯片等，這類(lèi)接口和芯片在應(yīng)用中亦需要電氣隔離處理。針對(duì)這兩類(lèi)的實(shí)際需求，村田分別提供柵極隔離驅(qū)動(dòng)模塊和低高度貼片類(lèi)型接口隔離模塊方案。

適用于 IGBT、SiC、MOS、GaN 的隔離 DC-DC 轉(zhuǎn)換器

Murata推出一系列專(zhuān)門(mén)為柵極驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)的隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器，包括適用于IGBT、SiC、MOS、GaN等產(chǎn)品線，通常用于新能源、運(yùn)動(dòng)與控制、移動(dòng)性和醫(yī)療保健解決方案中。這些產(chǎn)品具有超低隔離電容3pF、優(yōu)化的IGBT/SiC和MOS柵極驅(qū)動(dòng)的雙極輸出電壓、直流鏈路電壓最高可承受3KV、針對(duì)局部放電的可靠性、dv/dt抗擾度在1.6kV下長(zhǎng)時(shí)間可以承受高于80kV/μS等特性。

Murata特別將面向可應(yīng)對(duì)高頻率的下一代GaN功率半導(dǎo)體的絕緣DC-DC轉(zhuǎn)換器商品化，為各種應(yīng)用所需的快速功率轉(zhuǎn)換做貢獻(xiàn)。Murata推出的MGN1系列1W輸出DC-DC轉(zhuǎn)換器，設(shè)計(jì)提供GaN器件柵極驅(qū)動(dòng)器所需的電壓。

MGN1系列器件提供薄型、小占地面積、表面貼裝解決方案，可輕松集成到空間有限的系統(tǒng)中。它們還具有輕量級(jí)的優(yōu)勢(shì)，這帶來(lái)了更大的部署機(jī)會(huì)。提供的輸出電壓為+8V、+12V和+6/-3V。

MGN1系列DC-DC轉(zhuǎn)換器的關(guān)鍵屬性之一是2.5pF（典型值）的超低隔離電容。通過(guò)這種方式，隔離柵上的瞬態(tài)耦合被最小化，從而防止信號(hào)失真。此外，這意味著系統(tǒng)EMI問(wèn)題可以緩解。這些器件支持大于200kV/μs共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI），使其非常適合基于GaN系統(tǒng)的高開(kāi)關(guān)速度，進(jìn)一步確保柵極驅(qū)動(dòng)器信號(hào)的完整性。由于其免疫局部放電，可在高電壓條件下保持可靠運(yùn)作。

Murata MGN1系列中的DC-DC轉(zhuǎn)換器支持1.1kV的連續(xù)隔離柵耐受電壓，這些轉(zhuǎn)換器的爬電距離和間隙數(shù)據(jù)為6.5mm，-40℃至+105℃的工作溫度范圍使它們能夠安裝在極具挑戰(zhàn)性的環(huán)境中。此外，它們也結(jié)合了反極性和短路保護(hù)機(jī)制。

適用于接口隔離的DC-DC轉(zhuǎn)換器

Murata還有新一代NXE和NXJ系列的貼片模塊，其具備小型化的差異化因素，是節(jié)省空間的客戶解決方案，內(nèi)嵌變壓器，自采用全自動(dòng)化生產(chǎn)和測(cè)試系統(tǒng)，可靠性更高，擁有低成本的優(yōu)勢(shì)，支持260℃的回流焊接溫度，符合AEC-Q104標(biāo)準(zhǔn)。NXE和NXJ系列支持隔離通信電源，采用CAN總線、RS485、RS232接口，支持AS-Interface（Asi）工業(yè)網(wǎng)絡(luò)方案設(shè)備層總線技術(shù)，可為模擬電路提供隔離正負(fù)電壓，適用于影像信號(hào)和傳感器隔離等工業(yè)應(yīng)用。

NXE系列支持3kVDC隔離測(cè)試電壓，2.1-3pF（典型值）隔離電容，支持1W-2W的功率，加強(qiáng)型符合125Vrms、基礎(chǔ)型250Vrms安全認(rèn)證，采用開(kāi)放式SMD封裝，可在-40℃至105℃的溫度范圍內(nèi)運(yùn)作。NXJ系列則支持4.2kVDC隔離測(cè)試電壓，2-2.5pF（典型值）隔離電容，支持1W-2W的功率，加強(qiáng)型符合200至250Vrms、基礎(chǔ)型250Vrms安全認(rèn)證，采用開(kāi)放式SMD封裝，可在-40℃至110℃的溫度范圍內(nèi)運(yùn)作。

結(jié)語(yǔ)

熱敏電阻與DC-DC轉(zhuǎn)換器在ESS中分別承擔(dān)著溫度監(jiān)控與能量管理的核心角色，兩者共同構(gòu)筑了ESS高效、安全、智能運(yùn)行的技術(shù)基礎(chǔ)。熱敏電阻的高靈敏度與可靠性保障了電池模塊在最佳溫度范圍內(nèi)工作，降低了過(guò)熱和過(guò)冷引發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)，延長(zhǎng)了電池的使用壽命。而DC-DC轉(zhuǎn)換器則通過(guò)精準(zhǔn)的電壓調(diào)節(jié)與高效的能量傳遞，在不同器件之間實(shí)現(xiàn)能量的動(dòng)態(tài)分配，滿足系統(tǒng)的多樣化需求。Murata提供完整的熱敏電阻和DC-DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品線，將能夠推動(dòng)ESS向更高效、更智能、更綠色的方向邁進(jìn)。