电气技术

性能指标	光电隔离	磁隔离	电容隔离
隔离电压	高（有效值2.5~20kV）	很高（有效值可达数十kV）	中等（有效值2.5~5kV）
传输速度	快（可达150Mbit/s）	中等（可达50Mbit/s）	很快（可达1Gbit/s）
功耗	低（mW级）	中等（取决于功率）	很低（μW级）
抗干扰能力	强	中等	弱
功率传输能力	弱	强	弱
成本	中等	高	低

性能指标	光电隔离	磁隔离	电容隔离
隔离电压	高（有效值2.5~20kV）	很高（有效值可达数十kV）	中等（有效值2.5~5kV）
传输速度	快（可达150Mbit/s）	中等（可达50Mbit/s）	很快（可达1Gbit/s）
功耗	低（mW级）	中等（取决于功率）	很低（μW级）
抗干扰能力	强	中等	弱
功率传输能力	弱	强	弱
成本	中等	高	低

设备	参数	数值
电池簇	电芯单体容量/(A∙h)	280
PACK内电芯数量/个	64
一簇内PACK数量/个	6
一簇内电芯数量/个	384
一簇内电池能量/(MW∙h)	0.344
额定直流电压/V	1 228.8
储能变流器	直流电压范围/V	1 050~1 500
直流最大电流/A	195
交流额定功率/kW	186
交流额定电流/A	156
额定电网电压/V	690
电网频率范围/Hz	50/60
充放电转换时间/ms	≤20
最高效率/%	99
通信规约	IEC 61850、Modbus-TCP

设备	参数	数值
电池簇	电芯单体容量/(A∙h)	280
PACK内电芯数量/个	64
一簇内PACK数量/个	6
一簇内电芯数量/个	384
一簇内电池能量/(MW∙h)	0.344
额定直流电压/V	1 228.8
储能变流器	直流电压范围/V	1 050~1 500
直流最大电流/A	195
交流额定功率/kW	186
交流额定电流/A	156
额定电网电压/V	690
电网频率范围/Hz	50/60
充放电转换时间/ms	≤20
最高效率/%	99
通信规约	IEC 61850、Modbus-TCP

隔离技术在储能系统高压设计中的应用

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徐志华 ¹ , 梁新田 ²

电气技术 | 技术与应用 2025,26(2): 69-74

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电气技术 | 技术与应用 2025, 26(2): 69-74

隔离技术在储能系统高压设计中的应用

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徐志华¹, 梁新田²

作者信息

¹ 中铁电气工业有限公司保定铁道变压器分公司，河北保定 071051

² 北京天启鸿源新能源科技有限公司，北京 100167

徐志华（1982—），女，河北省石家庄市人，硕士，高级工程师，主要从事变压器设计及电器可靠性研究工作。

Application of isolation technology in high voltage design of energy storage system

Zhihua XU¹, Xintian LIANG²

Affiliations

¹ Baoding Railway Transformer Branch Company of China Railway Electric Industries Co., Ltd, Baoding, Hebei 071051

² Bejing Tianqi Hongyuan New Energy Technology Co., Ltd, Beijing 100167

出版时间: 2025-02-15

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摘要

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为探讨隔离技术在储能系统高压设计中的应用，本文重点分析光电隔离、磁隔离和电容隔离技术的特点及其在不同应用场景中的表现。通过技术对比、应用分析和案例研究，详细阐述隔离技术在提高系统安全性、减少电磁干扰、实现信号和能量传输，以及便于高压环境下的测量和控制等方面的应用效果。结果表明，通过合理选择隔离技术可以有效提升高压储能系统的安全性和可靠性，为高压储能系统的设计和优化提供了理论依据和实践指导。

关键词

储能系统（ESS） / 高压设计 / 隔离技术 / 光电隔离 / 磁隔离 / 电容隔离

Abstract

收起

This paper aims to explore the application of isolation technology in high voltage design of energy storage systems (ESS), with a focus on analyzing the characteristics of optical isolation, magnetic isolation, and capacitive isolation technologies and their performance in different application scenarios. By combining technical comparison, application analysis, and case studies, this paper elaborates in detail on the application of isolation technology in improving system safety, reducing electromagnetic interference, achieving signal and energy transmission, and facilitating measurement and control in high voltage environments. The results indicate that reasonable selection of isolation technologies can effectively improve the safety and reliability of high voltage energy storage systems, providing theoretical basis and practical guidance for the design and optimization of high voltage energy storage systems.

Key words

energy storage system (ESS) / high voltage design / isolation technology / optical isolation / magnetic isolation / capacitive isolation

引用本文

徐志华, 梁新田. 隔离技术在储能系统高压设计中的应用. 电气技术, 2025 , 26 (2) : 69 -74 .

Zhihua XU, Xintian LIANG. Application of isolation technology in high voltage design of energy storage system[J]. Electrical Engineering, 2025 , 26 (2) : 69 -74 .

正文

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0 引言

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随着全球能源结构转型和可再生能源的快速发展，电化学储能系统在电力系统中扮演着越来越重要的角色。储能系统规模不断扩大，提高系统电压成为提升效率和降低成本的重要手段。高压设计可以减小系统电流，从而降低导线损耗和设备成本^[1]。例如，将系统电压从DC 1 000V提高到DC 1 500V，可以使系统效率提高0.5%~1%，同时使系统成本降低10%~15%。

然而，高压设计也带来了一系列挑战，尤其是在安全性、绝缘要求、电磁干扰和测量精度方面。

1）安全性：高压系统存在更高的电击风险和短路风险。根据IEC 61140标准，DC 1 500V以上的系统被归类为高压系统，需要采取特殊的安全措施^[2]。

2）绝缘要求：高压环境下对材料和结构的绝缘要求更高。例如，最大工作电压DC 1 500V的储能系统，绝缘电阻试验电压要求DC 2 500V，耐压试验电压要求直流有效值为3 820V^[3-5]。

3）电磁干扰：高压系统产生的电磁干扰更强，可能影响控制和通信系统。研究表明，DC 1 500V系统的电磁干扰强度比DC 1 000V系统高30%~50%。

4）测量难度：高压环境下的精确测量变得更加困难。例如，传统的霍尔效应传感器在高压环境下可能出现饱和问题。

隔离技术作为解决上述问题的关键手段，引起了学术界和工业界的广泛关注。本文旨在探讨隔离技术在储能系统高压设计中的应用，重点分析光电隔离、磁隔离和电容隔离技术的特点、优势及其在不同应用场景中的表现，以期通过系统性研究为高压储能系统的设计和优化提供理论依据和实践指导。

1 隔离技术概述

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隔离技术是指在电路中创建一个物理和电气隔离的界面，以阻止电流流动，同时允许能量或信息在隔离界面两侧传递。低电压到高电压电信号隔离电路如图1所示。

当GND₁从GND₂断开时，I₁与I₂实现电隔离。由于GND₁和GND₂之间未共用一个GND，因此没有通过隔离栅共享直流接地电流^[6]。

隔离技术在解决高压设计挑战中扮演着关键角色，它可以：

1）提高系统安全性，防止高压对低压侧的危害。例如，使用隔离技术可以将DC 5kV以上的高压信号安全地转换为低压控制信号。

2）减少电磁干扰，提高系统的电磁兼容性。研究表明，采用光电隔离可以将共模瞬态抗扰度（common mode transient immunity, CMTI）提高到15kV/μs以上。

3）实现高低压之间的信号和能量传输。例如，通过磁隔离技术DC-DC变换器转变效率可达到98%以上。

4）便于高压环境下的测量和控制。例如，使用隔离型模数转换器（analog to digital converter, ADC）可以在DC 1 500V系统中实现0.1%的测量精度。

2 隔离方法

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在储能系统高压设计中，主要应用的隔离技术包括光电隔离、磁隔离和电容隔离。

2.1 光电隔离

光电隔离利用光电耦合器实现电信号的传输，工作原理是将电信号转换为光信号，通过光学介质传输后再转换回电信号。光电隔离具有以下特点：

1）隔离电压高，常见光耦可实现直流有效值2.5~5kV的电压隔离。例如，Everlight公司的EL101X—G系列光耦可提供有效值为5kV的工作电压隔离。有些经过特殊设计的光耦，隔离电压甚至可达到有效值20kV以上。

2）抗干扰能力强，光信号传输不受电磁干扰影响。典型的光耦可以实现15kV/μs以上的共模瞬态抗扰度。

3）传输速度快，高速光耦可实现数十Mbit/s的传输速率。例如，Silicon Labs的Si8621系列数字隔离器可实现150Mbit/s的数据传输速率。

4）功耗低，典型光耦功耗在mW级别。例如，Texas Instruments公司的ISO 7741系列数字隔离器在1Mbit/s传输速率下的功耗仅为1.5mW/通道。

2.2 磁隔离

磁隔离技术利用变压器原理，通过磁场耦合实现能量和信号的传输。主要特点包括：

1）功率传输能力强，可实现大功率隔离传输。例如，使用磁隔离技术的DC-DC转换器可以实现数百kW的功率传输。

2）隔离电压高，特殊设计可达到数十kV的隔离电压。例如，ABB公司的电力电子牵引变压器（power electronic traction transformer, PETT）技术可实现有效值15kV的隔离电压。

3）双向传输，可实现能量和信号的双向传输。这在双向DC-DC转换器中尤为重要。

4）效率高，在功率传输中可实现很高的效率。例如，采用GaN器件和纳米晶材料的高频变压器可以实现98%以上的效率。

2.3 电容隔离

电容隔离利用电容器的特性，通过电场耦合实现信号传输。其特点包括：

1）结构简单，实现方式相对简单，成本较低。例如，Texas Instruments的ISO674x系列电容隔离器的成本比同等性能的光耦低30%左右。

2）传输速度快，可实现高速信号传输。例如，Maxim Integrated的MAX2256x系列电容隔离器可实现200Mbit/s的数据传输速率。

3）功耗低，静态功耗几乎为零。例如，Maxim Integrated的MAX1493x系列电容隔离器的静态功耗低至1μW。

4）隔离电压受限，通常难以实现很高的隔离电压。大多数商用电容隔离器的隔离电压有效值在2.5~5kV范围内。

3 隔离技术应用

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在高压储能系统中，不同应用场景所需的隔离方法不尽相同。下面说明如何在设计中选择可靠性高、低成本的隔离方案。

3.1 信号隔离

在高压储能系统中，信号隔离是保证控制系统安全和可靠运行的关键，在直流侧和交流侧的设计中都有广泛应用，主要包括：

1）电压和电流测量。高压侧的电压和电流信号都需要通过隔离技术传输到低压侧控制系统。例如，在一个DC 1 500V的储能系统中，可以使用隔离放大器实现电压测量。研究表明，采用光电隔离技术的隔离放大器可以实现0.1%的测量精度，同时提供有效值15kV的隔离电压。具体来说，Texas Instruments的AMC1301隔离放大器可以在±250mV的输入范围内实现0.075%的精度，隔离电压有效值高达7kV。

2）控制信号传输。控制系统需要向高压侧的功率电子设备发送控制信号，光电隔离技术在这一方面表现出色。例如，在一个5MW/10MW∙h的储能系统中，采用光纤隔离技术传输脉宽调制（pulse width modulation, PWM）信号，可以实现5ns的信号延迟，有效保证了系统的控制精度。Avago Technologies的ACPL—W346隔离门驱动器可以提供2A的峰值输出电流，传播延迟仅为60ns，非常适合IGBT和SiC MOSFET的驱动应用。

3）通信接口隔离。高压储能系统通常需要与外部系统进行数据交换，电容隔离技术具有优势。例如，国产品牌纳芯微电子研发的控制器局域网（controller area network, CAN）收发器NSIP1042，采用集成片上DC-DC隔离电源的电容隔离技术，可以实现5Mbit/s的通信速率，绝缘电压有效值高达5kV，CMTI高达150kV/μs，同时隔离电源可提供一定的输出功率，反馈PWM信号通过基于自研电容隔离技术的数字隔离器反馈至初级。高集成技术可以帮助用户简化应用电路并提高系统可靠性。集成隔离电源的数字隔离器如图2所示。

3.2 功率隔离

在高压储能系统中，功率隔离主要应用于储能变流器主回路的DC-DC和DC-AC转换，以及控制回路的辅助电源中，实现高、低压之间的能量传输。

1）高频变压器

在高压储能系统的DC-DC转换器中，高频变压器是实现功率隔离的关键元件。研究表明，采用纳米晶材料的高频变压器可以在100kHz的开关频率下实现98%以上的变换效率，同时提供有效值为10kV的隔离电压^[7-8]。例如，Hitachi Metals的FINEMET纳米晶软磁材料可以在100kHz下实现低至80W/kg的核心损耗，非常适合高频高效变压器的设计。图3为双向DC-DC原理框图。

2）无线充电系统

对于大规模储能系统，无线充电技术可以提供更灵活的充电方案。磁耦合隔离技术发挥重要作用^[9]。例如，一个基于磁耦合的50kW无线充电系统可以实现92%的传输效率，工作频率为85kHz，隔离距离可达200mm。WiTricity公司的DRIVE 11系统可以提供11kW的充电功率，效率高达94%。

3.3 驱动电路隔离

在高压储能系统中，储能变流器功率半导体器件的驱动电路需要可靠的隔离保护。

1）IGBT驱动

对于高压IGBT模块，其栅极驱动电路需要高性能的隔离技术。研究表明，采用光电隔离技术的IGBT驱动器可以实现20ns的传输延迟，隔离电压有效值达到5kV，有效保证了IGBT的快速、可靠开关^[10]。例如，Power Integrations的SCALE—2 2SC0435T2A0—17驱动器可以驱动1 700V/3 300V的IGBT模块，提供4W的输出功率，隔离电压有效值高达5.5kV。图4为使用光电耦合器作信号隔离驱动IGBT的电路。

2）SiC MOSFET驱动

随着SiC MOSFET在高压储能系统中的应用增多，对驱动电路的隔离要求随之提高。SiC MOSFET通常需要更高的栅极电压和更快的开关速度。研究表明，采用磁隔离技术的SiC MOSFET驱动器可以实现10ns以下的传输延迟，隔离电压有效值达到10kV，满足了SiC MOSFET的高性能驱动需求^[11]。例如，CREE公司的CRD—001驱动器专为SiC MOSFET设计，可提供-5~+20V的栅极电压，上升时间小于13ns，下降时间小于16ns，非常适合高频高压应用场合。

4 隔离技术的性能比较与选择

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在高压储能系统设计中，选择合适的隔离技术对系统的性能和可靠性至关重要。三种主要隔离技术的性能对比见表1。

基于上述对比，可以得出以下选择建议：

1）对于信号隔离，尤其是在高干扰环境下，光电隔离是首选。例如，在高压变流器的控制电路中，可以使用Avago Technologies的ACPL—C87B系列光耦，它提供峰值1.414kV的隔离电压和15kV/μs的共模瞬态抗扰度。

2）对于功率隔离，特别是大功率应用，磁隔离是最佳选择。例如，在MW级储能系统的DC-DC转换器中，可以使用基于Hitachi Metals FINEMET材料的高频变压器，实现高效率、高隔离电压的功率传输。

3）对于需要高速数据传输的场景，如高速数字接口，电容隔离可能更适合。例如，在储能系统的数据采集单元中，可以使用Texas Instruments的ISO774x系列数字隔离器，它提供高达100Mbit/s的数据速率和有效值为5kV（DW封装）的隔离电压。

4）在一些特殊应用中，可能需要结合使用多种隔离技术。例如，在大型储能系统的电池管理系统（battery management system, BMS）中，可以使用光电隔离进行电压测量，使用磁隔离实现电源隔离，使用电容隔离进行高速数据通信^[12-13]。

5 应用案例分析

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某个额定容量为3.44MW/6.88MW∙h的电网侧锂离子电池储能系统中，采用0.5C磷酸铁锂电池和模块化储能变流器（power conversion system, PCS）。每个预制舱3.44MW∙h，内置10个电池簇，每个电池簇的关键参数见表2。

在研发样机测试过程中，出现变流器功率单元故障和控制板采样回路及主控芯片损毁的现象。控制板损毁状态如图5所示。

在故障排查过程中，使用示波器测量电池簇正负极相对于电池架接地点PE的电压。当启动储能变流器时，示波器触摸屏功能出现异常，触控失效，且观测到电池簇负极对PE电压值（通道C1）最小约-1.5kV，电池簇正极对PE电压值（通道C2）最大约1.275kV，正负极的BMS在线绝缘检测值都低至1.2MΩ 左右，明显超出正常工作范围。电池簇对地电压波形如图6所示。

基于上述现象，推断过高的共模电压是导致系统故障的主要原因：由于控制板供电和电压采样回路未将主控芯片和电池簇端高压侧隔离，共模瞬态抗扰度差，从而造成采样不稳定，控制失效甚至损坏，进而出现变流器功率单元故障。为解决这一问题，对系统设计进行以下优化：

1）供电电源隔离。在控制电源AC 220V前端增装隔离变压器，利用磁隔离技术实现功率隔离，以有效降低共模干扰。

2）采样电路隔离。改进控制板电压采样回路设计，引入高性能的隔离放大器NSI1311，基于NOVOSENSE电容隔离技术，实现主电路与电压采样电路的信号隔离。该器件最高5 000V绝缘电压有效值，高共模瞬态抗扰度150kV/μs可确保即使在大功率开关的情况下，其也能提供精准而可靠的测量结果，同时低失调和增益漂移可确保整个温度范围内的精度。图7为隔离放大器高压采样电路。

以上优化措施旨在提高系统的电气隔离性能，增强抗干扰能力，从而提升整个储能系统的可靠性和安全性。从实际的运行状况来看，问题得到有效解决，电池簇正负极相对于电池架接地点PE的电压降至121V，BMS在线绝缘检测值达到9.6MΩ。

6 结论

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本文通过技术对比、应用分析和案例研究，详细探讨了隔离技术在储能系统高压设计中的应用。研究表明，隔离技术的选择需要综合考虑隔离电压、传输速度、功耗、抗干扰能力、功率传输能力和成本等因素。在实际应用中，往往需要结合使用多种隔离技术来满足系统需求。案例分析中，本文针对一个3.44MW/6.88MW∙h的大型储能系统出现的控制板损毁和变流器功率单元故障问题进行了深入研究。通过增加应用隔离技术进行优化设计，使系统的电气隔离性能和抗干扰能力显著提升，电池簇对地电压和绝缘检测值恢复正常。这一案例充分说明在高压储能系统设计中，合理选择并应用隔离技术对提高系统安全性和可靠性至关重要。未来研究将进一步关注这些优化措施的长期效果，包括系统性能提升的定量分析和长期可靠性测试，以持续完善高压储能系统的设计方案。

参考文献

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文献

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参考文献引证文献

排序方式：

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2025年第26卷第2期

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134

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接收时间：2024-09-23
首发时间：2025-11-09
出版时间：2025-02-15

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收稿日期：2024-09-23
修回日期：2024-10-21

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¹ 中铁电气工业有限公司保定铁道变压器分公司，河北保定 071051

² 北京天启鸿源新能源科技有限公司，北京 100167

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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