根据国家能源局的数据显示，2016 - 2021 年间，我国均匀弃风率和弃光率已经分别从 17.0% 和 10.3% 降至 3.1% 和 2.0%，这里面除了电网运营优化，技能进步的缘故原由之外，也离不开储能的发展。而且中科院电工研究所储能技能研究组组长陈永翀日前表示，只管我国的储能装机规模天下第一，但储能与风电光伏新能源装机规模的比例（简称“储新比”）不到 7%；相对而言，其他国家和地区的均匀储新比已达 15.8%。随着新能源发电规模的快速增加，我国储新比还有很大的增长空间。
在储能技能上，虽然目前抽水蓄能霸占了绝对主导的市场，但这项已有上百年历史的技能正让位于利用电池作为缓冲存储介质的电化学储能（简称 BESS），后者由于不受自然条件限定，并且具有快速相应、灵巧支配等特性，与可再生能源容量小、布局分散、数量多的特点完备吻合，可在户用侧、工商业侧及网侧实现灵巧支配。据中国化学与物理电源行业协会储能运用分会发布的《2022 储能家当运用研究报告》统计数据显示，2021 年中国新增储能项目个数 146 个，电化学储能项目就达 131 个，个中锂离子电池储能项目 120 个。与此同时，大型项目之外，更多以工商业和户用为代表的小微型储能站正在多点着花。
虽然从长远来看，BESS 的发展是大势所趋，但在现阶段，本钱、安全性、利用寿命、环保等问题还在一定程度上对家当有所阻碍，技能方面的发展成为很主要的成分。BESS 简而言之便是直流与互换间的电力转换、电池充放电以及全体工业系统的掌握过程，自然离不开电力电子技能来确保储能系统的安全和高效率。因此，一样平常而言，范例的 BESS 包含以下几部分：PCS（power conversion system，功率转换系统）卖力电池直流链路和逆变器互换母线（即电池和电网）之间的功率变换，BMS（电池管理系统）卖力监控电池的各项关键信息，以及 EMS（能源管理系统）卖力操作和掌握全体系统。
无论是储能系统的任何部分，都离不开芯片的支持。本文将通过详细的产品和方案，让大家理解 BESS 系统的关键组成，以及如何战胜所面临的寻衅。在该领域，电力电子的紧张供应商之一德州仪器 (TI) 有着数十年干系技能积累，同时对付电池管理以及工业掌握，TI 也有着丰富的产品及系统履历，可以为全体 ESS 系统构建完全的旗子暗记及能量通报链路，因此本文选取了 TI 几款具有代表性的产品和方案。
双向功率转换系统
在以往没有配套储能的时期，可再生能源的电力流神每每都是单向直接传至电网侧。在这种架构下添加储能系统，显然一个双向系统优于两个单向系统。因此须要为储能侧增加双向 DC/DC 充放电管理，同时在 AC/DC 侧也须要变动为双向架构，集成 PFC（power factor correction，功率因数校正）和逆变器。这种更灵巧的双向构造，有助于实现更好的削峰填谷，在电价便宜或者发电量多的时候存入电能，而在有需求时候及时开释。
一样平常而言，这种双向架构就意味着两套彼此独立的转换系统，包括功率、掌握、保护等等，这带来了更高的系统本钱，更繁芜的布局布线以及更大的体积。
双向 PFC 与逆变级
由于拓扑构造中的功率器件基本相同，因此可将二者结合，从而实现系统的高效和小尺寸。个中双向 DC/DC 功率级是专为储能逆变器所打造的，双向 DC/DC 功率级的常见拓扑是 CLLLC 和 DAB。而对付离网/并网双向逆变器/ PFC 功率级而言，并不须要分外的拓扑来实现，由于标准组串式逆变器中常用的逆变器功率级，如两级 H 桥、HERIC、三电平 TNPC、三电平 NPC 和三电平 ANPC 等都能够实现双向转换。
这些繁芜的拓扑，给电源的转换和掌握带来了诸多寻衅。同时，对付大功率逆变器而言，可能存在数个并联情形，因此也须要彼此间和与电网间的同步需求。
同时，为了实现更高的转换效率和储能密度，储能系统正在越来越多地引入宽禁带半导体作为其功率器件，比较传统硅器件，宽禁带半导体可以实现更高的开关频率，从而提高转换效率并降落尺寸，但这种更高的开关频率也给从驱动设计到布局布线、EMI、热管理等方面带来了寻衅。
效率、体积和本钱固然主要，但可靠性和安全性永久是第一位的。比如对付并网的双向逆变器而言，须要具备检测和隔离功能，在电网涌现故障（如停电、掉电、过压等）时，应及时断开。
正如以上各类寻衅，无论对哪类电源拓扑，设计都绝非易事。因此最佳方案是尽可能的选择一套优化的参考设计方案，以及一站式供应商。TI 供应了多种拓扑参考方案，从而知足各种功率转换系统的需求。
TIDA-010210 参考设计
以 TI 的基于 GaN 的 11kW 双向三相 ANPC 参考设计 TIDA-010210 为例，此参考设计供应了用于实现基于氮化镓 (GaN) 的三电平三相 ANPC 逆变器功率级设计模板。利用快速开关型功率器件可实现 100kHz 的更高开关频率，不仅减小了滤波器磁性元件的尺寸，还提高了功率级的功率密度。多级拓扑许可在高达 1000V 的较高直流总线电压下利用额定电压为 600V 的功率器件，这是在其他拓扑中无法实现的。同时，较低的开关电压应力可降落开关损耗，从而使峰值效率达到 98.5%，并且也可提升系统的可靠性。
该方案集成了 TI 的多款明星产品，包括 C2000 32 位 MCU、集成驱动、保护和温度报告的 GaN FET、栅极驱动器、开关转换器等电源类产品以及数字隔离器、放大器等旗子暗记链产品。
通过多级拓扑可以利用低电压开关器件，但也意味着须要驱动更多开关，并且纵然在非常操作期间也须要避免过压。在此参考设计中 TI 仅用一颗 C2000 就在有限的 PWM 下掌握 18 个功率元件，并通过集成的 CLB 实现基于硬件的连锁保护，从而无需利用外置的 FPGA 或 CPLD。并且只需软件掌握，就可实现换向功能。
高可靠电池管理系统
与功率转换系统相类似，电池管理系统首先要担保足够的安全可靠，其次则是在效率、体积和本钱方面进行优化，而 BMS 是确保电池安全的最主要的系统。
范例的储能 BMS 系统大致可分为 BMU、BDU 以及 BCU，个中 BMU 实现单独电池信息采集，BDU 进行电池簇的管理，BCU 则卖力整体的掌握和通信。
由于电池管理系统更关注电池充放电管理，以是须要详细网络各种信息，包括电池信息存储、采集、均衡掌握、充放电管理等。因此一个高性能 AFE 是实现高水平 BMS 的关键，应在精确性、鲁棒性、安全性以及系统本钱等方面办理客户的痛点。
BQ7961x 简化系统框图
TI 的 BQ7961x 系列精密电池监控器、平衡器和集成硬件保护器，便是一款迎合储能客户需求的 AFE。首先在精度上，可以实现 2mV 以内的电压采样精度以及小于 0.3% 的电流采样精度，16 位 ADC 对 16 串电池的扫描韶光仅为 128μS，并且集成数字滤波，帮助客户实现更高精度的电池 SoC 和 SoH 打算，从而对电池进行更好管理。在可靠性上，TI 增强了引脚耐压，可以承受高达 80V 电压。由于储能系统内部的 EMC 滋扰强，很可能进入非常状态，有上电重启需求。BQ79616 内部供应硬件复位，更加稳定耐用。更主要的是，TI 的 BQ7961x 系列采取隔离式差分菊花链通信，可以实现双向通信及双向唤醒，在某个节点破坏的情形下，仍旧可以实现通信，并且在电池簇管理上，也采取菊花链办法，连接包括霍尔传感器、保险丝、风扇、继电器等监控。
在安全性方面，BQ7961x-Q1 符合 ASIL-D 车规级安全，完备可以知足储能系统的安全性需求。供应双 ADC 冗余采样，可对电压、电流、温度、通信状态等进行监测与保护，并且具有自我诊断功能，比较软件检测更加准确高效。
TI 通过高等集成，降落系统的开拓门槛和本钱。比如 BQ7961x 系列集成了内部均衡 MOSFET，最高支持 250mA 电流，并且可以自动对电池进行均衡。此外，BQ7961x 系列供应了丰富的产品种类，在引脚兼容的情形下支持不同的电池串数，从而根据实际需求进行本钱优化。
欢迎储能市场新机遇
在中国武断不移地发展新能源和电力系统编制改革的大背景下，储能是电力电子家当一颗冉冉升起的新星，无论从产品及商业形态还是其本身的科技含量，都在快速变革发展中，未来乃至每辆车都可以成为一个移动的储能站。在不断地变革中，选择经由大量市场验证、灵巧可靠、且一站式交付的供应商，是确保产品开拓及量产的主要保障。
推进可再生能源发展，打造更环保的电网是 TI 助力中国能源行业发展的初心，这个中也包括了储能家当。TI 正在通过广泛的仿照和嵌入式处理产品、丰富的参考设计、强大且全方位确当地支持，包括本地研发、本地发卖和运用团队以及完备本地化的 TI.com.cn，帮助储能行业实现高可靠、高效率、小尺寸及更高性价比，以知足未来能源创新需求。
