【導讀】2022年(nian)，在(zai)政(zheng)策(ce)扶(fu)持(chi)和(he)市(shi)場(chang)需(xu)求(qiu)的(de)雙(shuang)重(zhong)刺(ci)激(ji)下(xia)，儲(chu)能(neng)一(yi)下(xia)子(zi)成(cheng)為(wei)了(le)最(zui)為(wei)炙(zhi)手(shou)可(ke)熱(re)的(de)產(chan)業(ye)之(zhi)一(yi)，這(zhe)背(bei)後(hou)實(shi)質(zhi)是(shi)可(ke)再(zai)生(sheng)能(neng)源(yuan)裝(zhuang)機(ji)量(liang)的(de)不(bu)斷(duan)攀(pan)升(sheng)。和(he)火(huo)電(dian)等(deng)可(ke)以(yi)主(zhu)動(dong)控(kong)製(zhi)發(fa)電(dian)量(liang)的(de)機(ji)組(zu)不(bu)同(tong)
，可(ke)再(zai)生(sheng)能(neng)源(yuan)的(de)發(fa)電(dian)受(shou)自(zi)然(ran)環(huan)境(jing)影(ying)響(xiang)

，具(ju)有(you)很(hen)強(qiang)的(de)不(bu)確(que)定(ding)性(xing)，甚(shen)至(zhi)無(wu)法(fa)與(yu)電(dian)網(wang)兼(jian)容(rong)，因(yin)此(ci)需(xu)要(yao)配(pei)套(tao)儲(chu)能(neng)係(xi)統(tong)以(yi)解(jie)決(jue)消(xiao)納(na)、調峰
、調頻、穩定電網等各類問題。

2022年(nian)，在(zai)政(zheng)策(ce)扶(fu)持(chi)和(he)市(shi)場(chang)需(xu)求(qiu)的(de)雙(shuang)重(zhong)刺(ci)激(ji)下(xia)
，儲(chu)能(neng)一(yi)下(xia)子(zi)成(cheng)為(wei)了(le)最(zui)為(wei)炙(zhi)手(shou)可(ke)熱(re)的(de)產(chan)業(ye)之(zhi)一(yi)
，這(zhe)背(bei)後(hou)實(shi)質(zhi)是(shi)可(ke)再(zai)生(sheng)能(neng)源(yuan)裝(zhuang)機(ji)量(liang)的(de)不(bu)斷(duan)攀(pan)升(sheng)。和(he)火(huo)電(dian)等(deng)可(ke)以(yi)主(zhu)動(dong)控(kong)製(zhi)發(fa)電(dian)量(liang)的(de)機(ji)組(zu)不(bu)同(tong)
，可(ke)再(zai)生(sheng)能(neng)源(yuan)的(de)發(fa)電(dian)受(shou)自(zi)然(ran)環(huan)境(jing)影(ying)響(xiang)
，具(ju)有(you)很(hen)強(qiang)的(de)不(bu)確(que)定(ding)性(xing)，甚(shen)至(zhi)無(wu)法(fa)與(yu)電(dian)網(wang)兼(jian)容(rong)，因(yin)此(ci)需(xu)要(yao)配(pei)套(tao)儲(chu)能(neng)係(xi)統(tong)以(yi)解(jie)決(jue)消(xiao)納(na)、調峰、調頻
、穩定電網等各類問題。

根據國家能源局的數據顯示，2016-2021年間
，我國平均棄風率和棄光率已經分別從17.0%和10.3%降至3.1%和2.0%，這(zhe)裏(li)麵(mian)除(chu)了(le)電(dian)網(wang)運(yun)營(ying)優(you)化(hua)

，技(ji)術(shu)進(jin)步(bu)的(de)原(yuan)因(yin)之(zhi)外(wai)

，也(ye)離(li)不(bu)開(kai)儲(chu)能(neng)的(de)發(fa)展(zhan)。而(er)且(qie)中(zhong)科(ke)院(yuan)電(dian)工(gong)研(yan)究(jiu)所(suo)儲(chu)能(neng)技(ji)術(shu)研(yan)究(jiu)組(zu)組(zu)長(chang)陳(chen)永(yong)翀(chong)日(ri)前(qian)表(biao)示(shi)
，盡(jin)管(guan)我(wo)國(guo)的(de)儲(chu)能(neng)裝(zhuang)機(ji)規(gui)模(mo)世(shi)界(jie)第(di)一(yi)，但(dan)儲(chu)能(neng)與(yu)風(feng)電(dian)光(guang)伏(fu)新(xin)能(neng)源(yuan)裝(zhuang)機(ji)規(gui)模(mo)的(de)比(bi)例(li)（簡稱“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%。隨著新能源發電規模的快速增加，我國儲新比還有很大的增長空間。

在(zai)儲(chu)能(neng)技(ji)術(shu)上(shang)，雖(sui)然(ran)目(mu)前(qian)抽(chou)水(shui)蓄(xu)能(neng)占(zhan)據(ju)了(le)絕(jue)對(dui)主(zhu)導(dao)的(de)市(shi)場(chang)，但(dan)這(zhe)項(xiang)已(yi)有(you)上(shang)百(bai)年(nian)曆(li)史(shi)的(de)技(ji)術(shu)正(zheng)讓(rang)位(wei)於(yu)利(li)用(yong)電(dian)池(chi)作(zuo)為(wei)緩(huan)衝(chong)存(cun)儲(chu)介(jie)質(zhi)的(de)電(dian)化(hua)學(xue)儲(chu)能(neng)（簡稱BESS）
，後者因為不受自然條件限製
，並且具有快速響應、靈活部署等特性，與可再生能源容量小、布局分散
、數量多的特點完全吻合
，可在戶用側、工商業側及網側實現靈活部署。據中國化學與物理電源行業協會儲能應用分會發布的《2022儲能產業應用研究報告》統計數據顯示，2021年中國新增儲能項目個數146個，電化學儲能項目就達131個
，其中鋰離子電池儲能項目120個。與此同時，大型項目之外
，更多以工商業和戶用為代表的小微型儲能站正在多點開花。

雖然從長遠來看，BESS的發展是大勢所趨
，但在現階段，成本、安全性
、使用壽命
、環保等問題還在一定程度上對產業有所阻礙
，技術方麵的發展成為很重要的因素。BESS簡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工業係統的控製過程，自然離不開電力電子技術來確保儲能係統的安全和高效率。因此
，一般而言，典型的BESS包含以下幾部分：PCS（power conversion system


，功率轉換係統）負責電池直流鏈路和逆變器交流母線（即電池和電網）之間的功率變換
，BMS（電池管理係統）負責監控電池的各項關鍵信息，以及EMS（能源管理係統）負責操作和控製整個係統。

無論是儲能係統的任何部分，都離不開芯片的支持。本文將通過具體的產品和方案，讓大家了解BESS係統的關鍵組成，以及如何克服所麵臨的挑戰。在該領域，電力電子的主要供應商之一德州儀器（TI）有著數十年相關技術積累
，同時對於電池管理以及工業控製，TI也有著豐富的產品及係統經驗
，可以為整個ESS係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品和方案。

雙向功率轉換係統

zaiyiwangmeiyoupeitaochunengdeshidai，kezaishengnengyuandedianliliuxiangwangwangdoushidanxiangzhijiechuanzhidianwangce。zaizhezhongjiagouxiatianjiachunengxitong，xianranyigeshuangxiangxitongyouyulianggedanxiangxitong。yincixuyaoweichunengcezengjiashuangxiangDC/DC充放電管理
，同時在AC/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he逆ni變bian器qi。這zhe種zhong更geng靈ling活huo的de雙shuang向xiang結jie構gou
，有you助zhu於yu實shi現xian更geng好hao的de削xue峰feng填tian穀gu，在zai電dian價jia便bian宜yi或huo者zhe發fa電dian量liang多duo的de時shi候hou存cun入ru電dian能neng，而er在zai有you需xu求qiu時shi候hou及ji時shi釋shi放fang。

一般而言，這種雙向架構就意味著兩套彼此獨立的轉換係統
，包括功率、控製、保護等等，這帶來了更高的係統成本
，更複雜的布局布線以及更大的體積。

雙向PFC與逆變級

由於拓撲結構中的功率器件基本相同
，因此可將二者結合

，從而實現係統的高效和小尺寸。其中雙向DC/DC功率級是專為儲能逆變器所打造的，雙向 DC/DC 功率級的常見拓撲是 CLLLC和DAB。而對於離網/並網雙向逆變器/PFC 功率級而言
，並不需要特殊的拓撲來實現，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 等都能夠實現雙向轉換。

這(zhe)些(xie)複(fu)雜(za)的(de)拓(tuo)撲(pu)，給(gei)電(dian)源(yuan)的(de)轉(zhuan)換(huan)和(he)控(kong)製(zhi)帶(dai)來(lai)了(le)諸(zhu)多(duo)挑(tiao)戰(zhan)。同(tong)時(shi)
，對(dui)於(yu)大(da)功(gong)率(lv)逆(ni)變(bian)器(qi)而(er)言(yan)，可(ke)能(neng)存(cun)在(zai)數(shu)個(ge)並(bing)聯(lian)情(qing)況(kuang)
，因(yin)此(ci)也(ye)需(xu)要(yao)彼(bi)此(ci)間(jian)和(he)與(yu)電(dian)網(wang)間(jian)的(de)同(tong)步(bu)需(xu)求(qiu)。

同tong時shi，為wei了le實shi現xian更geng高gao的de轉zhuan換huan效xiao率lv和he儲chu能neng密mi度du，儲chu能neng係xi統tong正zheng在zai越yue來lai越yue多duo地di引yin入ru寬kuan禁jin帶dai半ban導dao體ti作zuo為wei其qi功gong率lv器qi件jian，相xiang比bi傳chuan統tong矽gui器qi件jian，寬kuan禁jin帶dai半ban導dao體ti可ke以yi實shi現xian更geng高gao的de開kai關guan頻pin率lv
，從cong而er提ti高gao轉zhuan換huan效xiao率lv並bing降jiang低di尺chi寸cun
，但dan這zhe種zhong更geng高gao的de開kai關guan頻pin率lv也ye給gei從cong驅qu動dong設she計ji到dao布bu局ju布bu線xian
、EMI、熱管理等方麵帶來了挑戰。

效率、體(ti)積(ji)和(he)成(cheng)本(ben)固(gu)然(ran)重(zhong)要(yao)，但(dan)可(ke)靠(kao)性(xing)和(he)安(an)全(quan)性(xing)永(yong)遠(yuan)是(shi)第(di)一(yi)位(wei)的(de)。比(bi)如(ru)對(dui)於(yu)並(bing)網(wang)的(de)雙(shuang)向(xiang)逆(ni)變(bian)器(qi)而(er)言(yan)，需(xu)要(yao)具(ju)備(bei)檢(jian)測(ce)和(he)隔(ge)離(li)功(gong)能(neng)
，在(zai)電(dian)網(wang)出(chu)現(xian)故(gu)障(zhang)（如停電
、掉電、過壓等）時，應及時斷開。

正(zheng)如(ru)以(yi)上(shang)種(zhong)種(zhong)挑(tiao)戰(zhan)，無(wu)論(lun)對(dui)哪(na)類(lei)電(dian)源(yuan)拓(tuo)撲(pu)，設(she)計(ji)都(dou)絕(jue)非(fei)易(yi)事(shi)。因(yin)此(ci)最(zui)佳(jia)方(fang)案(an)是(shi)盡(jin)可(ke)能(neng)的(de)選(xuan)擇(ze)一(yi)套(tao)優(you)化(hua)的(de)參(can)考(kao)設(she)計(ji)方(fang)案(an)，以(yi)及(ji)一(yi)站(zhan)式(shi)供(gong)應(ying)商(shang)。TI提供了多種拓撲參考方案，從而滿足各類功率轉換係統的需求。

TIDA-010210參考設計

以TI的基於 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於實現基於氮化镓 (GaN) 的三電平三相 ANPC 逆變器功率級設計模板。使用快速開關型功率器件可實現 100kHz 的更高開關頻率

，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法實現的。同時，較低的開關電壓應力可降低開關損耗
，從而使峰值效率達到 98.5%
，並且也可提升係統的可靠性。

該方案集成了TI的多款明星產品，包括C2000 32位MCU、集成驅動
、保護和溫度報告的GaN FET、柵極驅動器
、開關轉換器等電源類產品以及數字隔離器、放大器等信號鏈產品。

通過多級拓撲可以使用低電壓開關器件
，但也意味著需要驅動更多開關，並且即使在異常操作期間也需要避免過壓。在此參考設計中TI僅用一顆C2000就在有限的PWM下控製18個功率元件，並通過集成的CLB實現基於硬件的連鎖保護，從而無需使用外置的FPGA或CPLD。並且隻需軟件控製，就可實現換向功能。

高可靠電池管理係統

與功率轉換係統相類似，電池管理係統首先要保證足夠的安全可靠，其次則是在效率、體積和成本方麵進行優化，而BMS是確保電池安全的最重要的係統。

典型的儲能BMS係統大致可分為BMU、BDU以及BCU，其中BMU實現單獨電池信息采集，BDU進行電池簇的管理
，BCU則負責整體的控製和通信。

由於電池管理係統更關注電池充放電管理，所以需要詳細收集各類信息
，包括電池信息存儲、采集、均衡控製
、充放電管理等。因此一個高性能AFE是實現高水平BMS的關鍵，應在精確性、魯棒性
、安全性以及係統成本等方麵解決客戶的痛點。

BQ7961x簡化係統框圖

TI的BQ7961x係列精密電池監控器
、平衡器和集成硬件保護器
，就是一款迎合儲能客戶需求的AFE。首先在精度上
，可以實現2mV以內的電壓采樣精度以及小於0.3%的電流采樣精度

，16位ADC對16串電池的掃描時間僅為128μS，並且集成數字濾波，幫助客戶實現更高精度的電池SoC和SoH計算，從而對電池進行更好管理。在可靠性上，TI增強了引腳耐壓，可以承受高達80V電壓。由於儲能係統內部的EMC幹擾強
，很可能進入異常狀態，有上電重啟需求。BQ79616內部提供硬件複位，更加穩定耐用。更重要的是，TI的BQ7961x係xi列lie采cai用yong隔ge離li式shi差cha分fen菊ju花hua鏈lian通tong信xin，可ke以yi實shi現xian雙shuang向xiang通tong信xin及ji雙shuang向xiang喚huan醒xing，在zai某mou個ge節jie點dian損sun壞huai的de情qing況kuang下xia
，仍reng然ran可ke以yi實shi現xian通tong信xin
，並bing且qie在zai電dian池chi簇cu管guan理li上shang，也ye采cai用yong菊ju花hua鏈lian方fang式shi，連lian接jie包bao括kuo霍huo爾er傳chuan感gan器qi、保險絲、風扇、繼電器等監控。

在安全性方麵
，BQ7961x-Q1符合ASIL-D車規級安全，完全可以滿足儲能係統的安全性需求。提供雙ADC冗餘采樣，可對電壓
、電流、溫度、通信狀態等進行監測與保護
，並且具有自我診斷功能，相比軟件檢測更加準確高效。

TI通過高級集成，降低係統的開發門檻和成本。比如BQ7961x係列集成了內部均衡MOSFET，最高支持250mA電流
，並且可以自動對電池進行均衡。此外，BQ7961x係列提供了豐富的產品種類，在引腳兼容的情況下支持不同的電池串數，從而根據實際需求進行成本優化。

迎接儲能市場新機遇

在zai中zhong國guo堅jian定ding不bu移yi地di發fa展zhan新xin能neng源yuan和he電dian力li體ti製zhi改gai革ge的de大da背bei景jing下xia，儲chu能neng是shi電dian力li電dian子zi產chan業ye一yi顆ke冉ran冉ran升sheng起qi的de新xin星xing
，無wu論lun從cong產chan品pin及ji商shang業ye形xing態tai還hai是shi其qi本ben身shen的de科ke技ji含han量liang，都dou在zai快kuai速su變bian化hua發fa展zhan中zhong，未wei來lai甚shen至zhi每mei輛liang車che都dou可ke以yi成cheng為wei一yi個ge移yi動dong的de儲chu能neng站zhan。在zai不bu斷duan地di變bian化hua中zhong，選xuan擇ze經jing過guo大da量liang市shi場chang驗yan證zheng、靈活可靠、且一站式交付的供應商

，是確保產品開發及量產的重要保障。

推進可再生能源發展
，打造更環保的電網是TI助力中國能源行業發展的初心，這其中也包括了儲能產業。TI正在通過廣泛的模擬和嵌入式處理產品
、豐富的參考設計、強大且全方位的本地支持
，包括本地研發
、本地銷售和應用團隊以及完全本地化的 TI.com.cn，幫助儲能行業實現高可靠
、高效率、小尺寸及更高性價比，以滿足未來能源創新需求。

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