【導讀】2022年，在政策扶持和市場(chǎng)需求的雙重刺激下，儲能一下子成為了最為炙手可熱的產(chǎn)業(yè)之一，這背后實(shí)質(zhì)是可再生能源裝機量的不斷攀升。和火電等可以主動(dòng)控制發(fā)電量的機組不同，可再生能源的發(fā)電受自然環(huán)境影響，具有很強的不確定性，甚至無(wú)法與電網(wǎng)兼容，因此需要配套儲能系統以解決消納、調峰、調頻、穩定電網(wǎng)等各類(lèi)問(wèn)題。

2022年，在政策扶持和市場(chǎng)需求的雙重刺激下，儲能一下子成為了最為炙手可熱的產(chǎn)業(yè)之一，這背后實(shí)質(zhì)是可再生能源裝機量的不斷攀升。和火電等可以主動(dòng)控制發(fā)電量的機組不同，可再生能源的發(fā)電受自然環(huán)境影響，具有很強的不確定性，甚至無(wú)法與電網(wǎng)兼容，因此需要配套儲能系統以解決消納、調峰、調頻、穩定電網(wǎng)等各類(lèi)問(wèn)題。

根據國家能源局的數據顯示，2016-2021年間，我國平均棄風(fēng)率和棄光率已經(jīng)分別從17.0%和10.3%降至3.1%和2.0%，這里面除了電網(wǎng)運營(yíng)優(yōu)化，技術(shù)進(jìn)步的原因之外，也離不開(kāi)儲能的發(fā)展。而且中科院電工研究所儲能技術(shù)研究組組長(cháng)陳永翀日前表示，盡管我國的儲能裝機規模世界第一，但儲能與風(fēng)電光伏新能源裝機規模的比例（簡(jiǎn)稱(chēng)“儲新比”）不到7%；相對而言，其他國家和地區的平均儲新比已達15.8%。隨著(zhù)新能源發(fā)電規模的快速增加，我國儲新比還有很大的增長(cháng)空間。

在儲能技術(shù)上，雖然目前抽水蓄能占據了絕對主導的市場(chǎng)，但這項已有上百年歷史的技術(shù)正讓位于利用電池作為緩沖存儲介質(zhì)的電化學(xué)儲能（簡(jiǎn)稱(chēng)BESS），后者因為不受自然條件限制，并且具有快速響應、靈活部署等特性，與可再生能源容量小、布局分散、數量多的特點(diǎn)完全吻合，可在戶(hù)用側、工商業(yè)側及網(wǎng)側實(shí)現靈活部署。據中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì )儲能應用分會(huì )發(fā)布的《2022儲能產(chǎn)業(yè)應用研究報告》統計數據顯示，2021年中國新增儲能項目個(gè)數146個(gè)，電化學(xué)儲能項目就達131個(gè)，其中鋰離子電池儲能項目120個(gè)。與此同時(shí)，大型項目之外，更多以工商業(yè)和戶(hù)用為代表的小微型儲能站正在多點(diǎn)開(kāi)花。

雖然從長(cháng)遠來(lái)看，BESS的發(fā)展是大勢所趨，但在現階段，成本、安全性、使用壽命、環(huán)保等問(wèn)題還在一定程度上對產(chǎn)業(yè)有所阻礙，技術(shù)方面的發(fā)展成為很重要的因素。BESS簡(jiǎn)而言之就是直流與交流間的電力轉換、電池充放電以及整個(gè)工業(yè)系統的控制過(guò)程，自然離不開(kāi)電力電子技術(shù)來(lái)確保儲能系統的安全和高效率。因此，一般而言，典型的BESS包含以下幾部分：PCS（power conversion system，功率轉換系統）負責電池直流鏈路和逆變器交流母線(xiàn)（即電池和電網(wǎng)）之間的功率變換，BMS（電池管理系統）負責監控電池的各項關(guān)鍵信息，以及EMS（能源管理系統）負責操作和控制整個(gè)系統。

無(wú)論是儲能系統的任何部分，都離不開(kāi)芯片的支持。本文將通過(guò)具體的產(chǎn)品和方案，讓大家了解BESS系統的關(guān)鍵組成，以及如何克服所面臨的挑戰。在該領(lǐng)域，電力電子的主要供應商之一德州儀器（TI）有著(zhù)數十年相關(guān)技術(shù)積累，同時(shí)對于電池管理以及工業(yè)控制，TI也有著(zhù)豐富的產(chǎn)品及系統經(jīng)驗，可以為整個(gè)ESS系統構建完整的信號及能量傳遞鏈路，因此本文選取了TI幾款具有代表性的產(chǎn)品和方案。

雙向功率轉換系統

在以往沒(méi)有配套儲能的時(shí)代，可再生能源的電力流向往往都是單向直接傳至電網(wǎng)側。在這種架構下添加儲能系統，顯然一個(gè)雙向系統優(yōu)于兩個(gè)單向系統。因此需要為儲能側增加雙向DC/DC充放電管理，同時(shí)在A(yíng)C/DC側也需要更改為雙向架構，集成PFC（power factor correction，功率因數校正）和逆變器。這種更靈活的雙向結構，有助于實(shí)現更好的削峰填谷，在電價(jià)便宜或者發(fā)電量多的時(shí)候存入電能，而在有需求時(shí)候及時(shí)釋放。

一般而言，這種雙向架構就意味著(zhù)兩套彼此獨立的轉換系統，包括功率、控制、保護等等，這帶來(lái)了更高的系統成本，更復雜的布局布線(xiàn)以及更大的體積。

雙向PFC與逆變級

由于拓撲結構中的功率器件基本相同，因此可將二者結合，從而實(shí)現系統的高效和小尺寸。其中雙向DC/DC功率級是專(zhuān)為儲能逆變器所打造的，雙向 DC/DC 功率級的常見(jiàn)拓撲是 CLLLC和DAB。而對于離網(wǎng)/并網(wǎng)雙向逆變器/PFC 功率級而言，并不需要特殊的拓撲來(lái)實(shí)現，因為標準組串式逆變器中常用的逆變器功率級，如兩級 H 橋、HERIC、三電平 TNPC、三電平 NPC 和三電平 ANPC 等都能夠實(shí)現雙向轉換。

這些復雜的拓撲，給電源的轉換和控制帶來(lái)了諸多挑戰。同時(shí)，對于大功率逆變器而言，可能存在數個(gè)并聯(lián)情況，因此也需要彼此間和與電網(wǎng)間的同步需求。

同時(shí)，為了實(shí)現更高的轉換效率和儲能密度，儲能系統正在越來(lái)越多地引入寬禁帶半導體作為其功率器件，相比傳統硅器件，寬禁帶半導體可以實(shí)現更高的開(kāi)關(guān)頻率，從而提高轉換效率并降低尺寸，但這種更高的開(kāi)關(guān)頻率也給從驅動(dòng)設計到布局布線(xiàn)、EMI、熱管理等方面帶來(lái)了挑戰。

效率、體積和成本固然重要，但可靠性和安全性永遠是第一位的。比如對于并網(wǎng)的雙向逆變器而言，需要具備檢測和隔離功能，在電網(wǎng)出現故障（如停電、掉電、過(guò)壓等）時(shí)，應及時(shí)斷開(kāi)。

正如以上種種挑戰，無(wú)論對哪類(lèi)電源拓撲，設計都絕非易事。因此最佳方案是盡可能的選擇一套優(yōu)化的參考設計方案，以及一站式供應商。TI提供了多種拓撲參考方案，從而滿(mǎn)足各類(lèi)功率轉換系統的需求。

TIDA-010210參考設計

以TI的基于 GaN 的 11kW 雙向三相 ANPC 參考設計TIDA-010210為例，此參考設計提供了用于實(shí)現基于氮化鎵 (GaN) 的三電平三相 ANPC 逆變器功率級設計模板。使用快速開(kāi)關(guān)型功率器件可實(shí)現 100kHz 的更高開(kāi)關(guān)頻率，不僅減小了濾波器磁性元件的尺寸，還提高了功率級的功率密度。多級拓撲允許在高達 1000V 的較高直流總線(xiàn)電壓下使用額定電壓為 600V 的功率器件，這是在其他拓撲中無(wú)法實(shí)現的。同時(shí)，較低的開(kāi)關(guān)電壓應力可降低開(kāi)關(guān)損耗，從而使峰值效率達到 98.5%，并且也可提升系統的可靠性。

該方案集成了TI的多款明星產(chǎn)品，包括C2000 32位MCU、集成驅動(dòng)、保護和溫度報告的GaN FET、柵極驅動(dòng)器、開(kāi)關(guān)轉換器等電源類(lèi)產(chǎn)品以及數字隔離器、放大器等信號鏈產(chǎn)品。

通過(guò)多級拓撲可以使用低電壓開(kāi)關(guān)器件，但也意味著(zhù)需要驅動(dòng)更多開(kāi)關(guān)，并且即使在異常操作期間也需要避免過(guò)壓。在此參考設計中TI僅用一顆C2000就在有限的PWM下控制18個(gè)功率元件，并通過(guò)集成的CLB實(shí)現基于硬件的連鎖保護，從而無(wú)需使用外置的FPGA或CPLD。并且只需軟件控制，就可實(shí)現換向功能。

高可靠電池管理系統

與功率轉換系統相類(lèi)似，電池管理系統首先要保證足夠的安全可靠，其次則是在效率、體積和成本方面進(jìn)行優(yōu)化，而B(niǎo)MS是確保電池安全的最重要的系統。

典型的儲能BMS系統大致可分為BMU、BDU以及BCU，其中BMU實(shí)現單獨電池信息采集，BDU進(jìn)行電池簇的管理，BCU則負責整體的控制和通信。

由于電池管理系統更關(guān)注電池充放電管理，所以需要詳細收集各類(lèi)信息，包括電池信息存儲、采集、均衡控制、充放電管理等。因此一個(gè)高性能AFE是實(shí)現高水平BMS的關(guān)鍵，應在精確性、魯棒性、安全性以及系統成本等方面解決客戶(hù)的痛點(diǎn)。

BQ7961x簡(jiǎn)化系統框圖

TI的BQ7961x系列精密電池監控器、平衡器和集成硬件保護器，就是一款迎合儲能客戶(hù)需求的AFE。首先在精度上，可以實(shí)現2mV以?xún)鹊碾妷翰蓸泳纫约靶∮?.3%的電流采樣精度，16位ADC對16串電池的掃描時(shí)間僅為128μS，并且集成數字濾波，幫助客戶(hù)實(shí)現更高精度的電池SoC和SoH計算，從而對電池進(jìn)行更好管理。在可靠性上，TI增強了引腳耐壓，可以承受高達80V電壓。由于儲能系統內部的EMC干擾強，很可能進(jìn)入異常狀態(tài)，有上電重啟需求。BQ79616內部提供硬件復位，更加穩定耐用。更重要的是，TI的BQ7961x系列采用隔離式差分菊花鏈通信，可以實(shí)現雙向通信及雙向喚醒，在某個(gè)節點(diǎn)損壞的情況下，仍然可以實(shí)現通信，并且在電池簇管理上，也采用菊花鏈方式，連接包括霍爾傳感器、保險絲、風(fēng)扇、繼電器等監控。

在安全性方面，BQ7961x-Q1符合ASIL-D車(chē)規級安全，完全可以滿(mǎn)足儲能系統的安全性需求。提供雙ADC冗余采樣，可對電壓、電流、溫度、通信狀態(tài)等進(jìn)行監測與保護，并且具有自我診斷功能，相比軟件檢測更加準確高效。

TI通過(guò)高級集成，降低系統的開(kāi)發(fā)門(mén)檻和成本。比如BQ7961x系列集成了內部均衡MOSFET，最高支持250mA電流，并且可以自動(dòng)對電池進(jìn)行均衡。此外，BQ7961x系列提供了豐富的產(chǎn)品種類(lèi)，在引腳兼容的情況下支持不同的電池串數，從而根據實(shí)際需求進(jìn)行成本優(yōu)化。

迎接儲能市場(chǎng)新機遇

在中國堅定不移地發(fā)展新能源和電力體制改革的大背景下，儲能是電力電子產(chǎn)業(yè)一顆冉冉升起的新星，無(wú)論從產(chǎn)品及商業(yè)形態(tài)還是其本身的科技含量，都在快速變化發(fā)展中，未來(lái)甚至每輛車(chē)都可以成為一個(gè)移動(dòng)的儲能站。在不斷地變化中，選擇經(jīng)過(guò)大量市場(chǎng)驗證、靈活可靠、且一站式交付的供應商，是確保產(chǎn)品開(kāi)發(fā)及量產(chǎn)的重要保障。

推進(jìn)可再生能源發(fā)展，打造更環(huán)保的電網(wǎng)是TI助力中國能源行業(yè)發(fā)展的初心，這其中也包括了儲能產(chǎn)業(yè)。TI正在通過(guò)廣泛的模擬和嵌入式處理產(chǎn)品、豐富的參考設計、強大且全方位的本地支持，包括本地研發(fā)、本地銷(xiāo)售和應用團隊以及完全本地化的 TI.com.cn，幫助儲能行業(yè)實(shí)現高可靠、高效率、小尺寸及更高性?xún)r(jià)比，以滿(mǎn)足未來(lái)能源創(chuàng )新需求。

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