芯科技賦能中國新基建之談談儲能背后的黑科技

　　2022年，在政策扶持和市場需求的雙重刺激下，儲能一下子成為了最為炙手可熱的產(chǎn)業(yè)之一，這背后實質(zhì)是可再生能源裝機量的不斷攀升。和火電等可以主動控制發(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，甚至無法與電網(wǎng)兼容，因此需要配套儲能系統(tǒng)以解決消納、調(diào)峰、調(diào)頻、穩(wěn)定電網(wǎng)等各類問題。

　　根據(jù)國家能源局的數(shù)據(jù)顯示，2016-2021年間，我國平均棄風率和棄光率已經(jīng)分別從17.0%和10.3%降至3.1%和2.0%，這里面除了電網(wǎng)運營優(yōu)化，技術進步的原因之外，也離不開儲能的發(fā)展。而且中科院電工研究所儲能技術研究組組長陳永翀日前表示，盡管我國的儲能裝機規(guī)模世界第一，但儲能與風電光伏新能源裝機規(guī)模的比例(簡稱"儲新比")不到7%;相對而言，其他國家和地區(qū)的平均儲新比已達15.8%。隨著新能源發(fā)電規(guī)模的快速增加，我國儲新比還有很大的增長空間。

　　在儲能技術上，雖然目前抽水蓄能占據(jù)了絕對主導的市場，但這項已有上百年歷史的技術正讓位于利用電池作為緩沖存儲介質(zhì)的電化學儲能(簡稱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(shù)量多的特點完全吻合，可在戶用側、工商業(yè)側及網(wǎng)側實現(xiàn)靈活部署。據(jù)中國化學與物理電源行業(yè)協(xié)會儲能應用分會發(fā)布的《2022儲能產(chǎn)業(yè)應用研究報告》統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2021年中國新增儲能項目個數(shù)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(yè)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(fā)展是大勢所趨，但在現(xiàn)階段，成本、安全性、使用壽命、環(huán)保等問題還在一定程度上對產(chǎn)業(yè)有所阻礙，技術方面的發(fā)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(zhuǎn)換、電池充放電以及整個工業(yè)系統(tǒng)的控制過程，自然離不開電力電子技術來確保儲能系統(tǒng)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(zhuǎn)換系統(tǒng))負責電池直流鏈路和逆變器交流母線(即電池和電網(wǎng))之間的功率變換，BMS(電池管理系統(tǒng))負責監(jiān)控電池的各項關鍵信息，以及EMS(能源管理系統(tǒng))負責操作和控制整個系統(tǒng)。

　　無論是儲能系統(tǒng)的任何部分，都離不開芯片的支持。本文將通過具體的產(chǎn)品和方案，讓大家了解BESS系統(tǒng)的關鍵組成，以及如何克服所面臨的挑戰(zhàn)。在該領域，電力電子的主要供應商之一德州儀器(TI)有著數(shù)十年相關技術積累，同時對于電池管理以及工業(yè)控制，TI也有著豐富的產(chǎn)品及系統(tǒng)經(jīng)驗，可以為整個ESS系統(tǒng)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(zhuǎn)換系統(tǒng)

　　在以往沒有配套儲能的時代，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(tǒng)，顯然一個雙向系統(tǒng)優(yōu)于兩個單向系統(tǒng)。因此需要為儲能側增加雙向DC/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(shù)校正)和逆變器。這種更靈活的雙向結構，有助于實現(xiàn)更好的削峰填谷，在電價便宜或者發(fā)電量多的時候存入電能，而在有需求時候及時釋放。

　　一般而言，這種雙向架構就意味著兩套彼此獨立的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，包括功率、控制、保護等等，這帶來了更高的系統(tǒng)成本，更復雜的布局布線以及更大的體積。

　　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，從而實現(xiàn)系統(tǒng)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實現(xiàn)，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?qū)崿F(xiàn)雙向轉(zhuǎn)換。

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

　　同時，為了實現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)換效率和儲能密度，儲能系統(tǒng)正在越來越多地引入寬禁帶半導體作為其功率器件，相比傳統(tǒng)硅器件，寬禁帶半導體可以實現(xiàn)更高的開關頻率，從而提高轉(zhuǎn)換效率并降低尺寸，但這種更高的開關頻率也給從驅(qū)動設計到布局布線、EMI、熱管理等方面帶來了挑戰(zhàn)。

　　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(xiàn)故障(如停電、掉電、過壓等)時，應及時斷開。

　　正如以上種種挑戰(zhàn)，無論對哪類電源拓撲，設計都絕非易事。因此最佳方案是盡可能地選擇一套優(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，從而滿足各類功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)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現(xiàn)基于氮化鎵 (GaN) 的三電平三相 ANPC 逆變器功率級設計模板。使用快速開關型功率器件可實現(xiàn) 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(xiàn)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%，并且也可提升系統(tǒng)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(qū)動、保護和溫度報告的GaN FET、柵極驅(qū)動器、開關轉(zhuǎn)換器等電源類產(chǎn)品以及數(shù)字隔離器、放大器等信號鏈產(chǎn)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(qū)動更多開關，并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下控制18個功率元件，并通過集成的CLB實現(xiàn)基于硬件的連鎖保護，從而無需使用外置的FPGA或CPLD。并且只需軟件控制，就可實現(xiàn)換向功能。

　　高可靠電池管理系統(tǒng)

　　與功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)相類似，電池管理系統(tǒng)首先要保證足夠的安全可靠，其次則是在效率、體積和成本方面進行優(yōu)化，而BMS是確保電池安全的最重要的系統(tǒng)。

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

　　由于電池管理系統(tǒng)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、均衡控制、充放電管理等。因此一個高性能AFE是實現(xiàn)高水平BMS的關鍵，應在精確性、魯棒性、安全性以及系統(tǒng)成本等方面解決客戶的痛點。

　　BQ7961x簡化系統(tǒng)框圖TI的BQ7961x系列精密電池監(jiān)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(xiàn)2mV以內(nèi)的電壓采樣精度以及小于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，并且集成數(shù)字濾波，幫助客戶實現(xiàn)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。由于儲能系統(tǒng)內(nèi)部的EMC干擾強，很可能進入異常狀態(tài)，有上電重啟需求。BQ79616內(nèi)部提供硬件復位，更加穩(wěn)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，可以實現(xiàn)雙向通信及雙向喚醒，在某個節(jié)點損壞的情況下，仍然可以實現(xiàn)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、風扇、繼電器等監(jiān)控。

　　在安全性方面，BQ7961x-Q1符合ASIL-D車規(guī)級安全，完全可以滿足儲能系統(tǒng)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)等進行監(jiān)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通過高級集成，降低系統(tǒng)的開發(fā)門檻和成本。比如BQ7961x系列集成了內(nèi)部均衡MOSFET，最高支持250mA電流，并且可以自動對電池進行均衡。此外，BQ7961x系列提供了豐富的產(chǎn)品種類，在引腳兼容的情況下支持不同的電池串數(shù)，從而根據(jù)實際需求進行成本優(yōu)化。

　　迎接儲能市場新機遇

　　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，未來甚至每輛車都可以成為一個移動的儲能站。在不斷地變化中，選擇經(jīng)過大量市場驗證、靈活可靠、且一站式交付的供應商，是確保產(chǎn)品開發(fā)及量產(chǎn)的重要保障。

　　推進可再生能源發(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)實現(xiàn)高可靠、高效率、小尺寸及更高性價比，以滿足未來能源創(chuàng)新需求。