電池儲能系統(tǒng)需要克服的三大設計挑戰(zhàn)

太陽能和風能為電網(wǎng)帶來了可再生能源，但供需不平衡的問題成為影響此類能源利用率的主要限制因素。雖然太陽能在中午很充足，但此時的用電需求不夠高，所以消費者的用電成本仍然居高不下。

電網(wǎng)儲能、家用儲能、和工商業(yè)儲能系統(tǒng) (ESS) 可以在白天收集太陽能和風能等可再生能源的能量，并在需求高峰期或電網(wǎng)電價較高時釋放儲存的能量。通過儲存能量供高峰時段使用，儲能系統(tǒng)可以穩(wěn)定電網(wǎng)并降低能源成本。

與電池儲能系統(tǒng)（簡稱 BESS，這是較常見的一種儲能系統(tǒng)）相關(guān)的設計挑戰(zhàn)包括：1) 安全使用；2) 精確監(jiān)測電池電壓、溫度和電流；以及 3) 電池之間和電池包之間強大的均衡能力。下面詳細介紹這些挑戰(zhàn)。

挑戰(zhàn) 1：安全

第一大挑戰(zhàn)是在電池儲能系統(tǒng)的整個生命周期內(nèi)保持電池安全，這一周期通常超過 10 年。電池儲能系統(tǒng)應用通常使用鋰離子 (Li-ion) 電池，特別是磷酸鐵鋰 (LiFePO4) 電池。

當電壓、溫度和電流超過最大限值時，鋰離子電池容易冒煙、起火或爆炸，因此電池的電壓、溫度和電流數(shù)據(jù)監(jiān)測及保護至關(guān)重要。因此，應該對電池和電池管理系統(tǒng)出現(xiàn)故障的可能性進行考慮和分析。

圖 1 展示了一個電池儲能系統(tǒng)的架構(gòu)。德州儀器適用于儲能系統(tǒng)的可堆疊電池管理單元參考設計描述了一個通過使用 BQ79616 集成的冗余電池信息檢測來監(jiān)測系統(tǒng)問題的可堆疊電池管理單元 (BMU)，而適用于儲能系統(tǒng)的電池控制單元參考設計展示了一個通過可靠的開關(guān)驅(qū)動設計確保系統(tǒng)安全的電池控制單元 (BCU)。

圖 1：BESS 架構(gòu)

挑戰(zhàn) 2：精確的電池監(jiān)測

精確的電池數(shù)據(jù)可確保安全并提高電池能量利用率。考慮到磷酸鐵鋰 (LiFePO4) 充放電曲線有很寬的平臺區(qū)，即使微小的電池電壓測量誤差也會導致巨大的剩余電量誤差，因此精確的電池電壓和電池包電流測量對于準確估算電量非常重要。而精確的電量信息是避免電池錯誤均衡的關(guān)鍵，過度均衡充電和過度均衡放電都會破壞電池的最大可用容量。

另一個重要的測量指標是溫度。大多數(shù)電池起火和爆炸事故都是由電池熱失控引起的。

圖 2 展示了德州儀器的可堆疊電池管理單元參考設計。該設計采用 BQ79616 電池監(jiān)測器，可在 –20°C 至 65°C 范圍內(nèi)實現(xiàn) ±3mV 的電池電壓誤差。對于家庭儲能系統(tǒng)，也可以選用電池監(jiān)測器 BQ76972，該器件可在 –40°C 至 85°C 范圍內(nèi)實現(xiàn) ±5mV 的電池電壓誤差。多路復用器開關(guān)可以擴展溫度測量通道，以實現(xiàn)對每個電池和電源總線連接器的溫度監(jiān)測。該參考設計還預留了額外的溫度采樣通道以用于多路復用器開關(guān)的診斷檢查。

圖 2：可堆疊電池管理單元參考設計

儲能系統(tǒng)電量監(jiān)測也需要準確可靠的電流測量解決方案。BQ79731-Q1 電壓和電流傳感器集成了雙通道 24 位電流檢測模數(shù)轉(zhuǎn)換器，并具有冗余采樣通道，有助于確保系統(tǒng)安全性和電流數(shù)據(jù)準確性。

挑戰(zhàn) 3：電池和電池包的均衡能力

由于負載不一致性，電池包可能會以不同的速率消耗電流。這些變化會導致電池包之間剩余電量的不均衡，并降低整個儲能系統(tǒng)的最大可用電量。新電池的不一致性以及不同的散熱條件也會導致不同電池之間的不均衡，即使在同一個電池包內(nèi)也是如此。被動電池均衡會在電阻上消耗電池能量，由于其功耗過高并會導致電池包發(fā)熱，因此不建議用于電池包級別的均衡。

電池包的不均衡會在產(chǎn)品的使用壽命內(nèi)逐漸惡化，而儲能系統(tǒng)的使用壽命可能超過 10 年。在 10 年的周期內(nèi)，有些電池包可能會比其他電池包老化得更快，導致用戶不得不提前更換老化的電池包。如果沒有強大的電池包級別均衡電路，則必須由人工對新電池包進行充電或放電，使新電池包的能量幾乎等于儲能系統(tǒng)中其余電池包的能量。但是，這種做法不僅有風險，而且難度大，成本高，耗費人力。

電池不均衡也受到電池容量的影響。為了優(yōu)化整個儲能系統(tǒng)的單位能量成本，電池制造商正在開發(fā)更大容量的電池，容量從 280Ah 擴大到 314Ah，甚至到 560Ah。為了使電池包內(nèi)的所有電池維持相同的能量，電池包中的電池容量越大，需要的有效均衡電流越大。

電池包有多種均衡方法。圖 3 展示了在高壓總線上通過雙向隔離式直流/直流轉(zhuǎn)換器對電池包進行充電和放電的一種方法。通過控制充電和放電電流，隔離式直流/直流轉(zhuǎn)換器可以均衡電池包剩余容量或電壓。由于正常充電電流和放電電流都會流過雙向直流/直流轉(zhuǎn)換器，因此整體效率低，而且要求雙向直流/直流轉(zhuǎn)換器的額定功率較大。

圖 3：位于電池包與高壓總線之間的雙向隔離式直流/直流轉(zhuǎn)換器

圖 4 說明了在不同電池包之間均衡能量的另一種選擇：使用低壓總線而不是高壓總線來中繼能量以保證系統(tǒng)高效率。隔離式直流/直流轉(zhuǎn)換器位于電池包和低壓總線之間，僅在電池包需要均衡時才會工作。由于均衡能量只在不同的電池包之間流動，隔離式直流/直流轉(zhuǎn)換器的額定功率較小，為了保持低壓母線電壓穩(wěn)定，必須確保輸送到低壓總線上的能量和從低壓總線上抽取的能量維持動態(tài)均衡。

圖 4：位于電池包與低壓總線之間的雙向隔離式直流/直流轉(zhuǎn)換器

結(jié)語

安全可靠的電池管理系統(tǒng)可以消除鋰離子和磷酸鐵鋰 (LiFePO4) 電池的安全問題，并通過精心設計的保護功能幫助延長儲能系統(tǒng) 壽命，甚至在發(fā)生單一失效時也能從容應對。精確的數(shù)據(jù)檢測以及強大的電池包和電池級別的均衡能力可以在充電和放電時實現(xiàn)電池容量相等，并更大限度提高太陽能和其他可再生能源的能源利用率，最終使終端用戶能夠獲得安全、穩(wěn)定和低成本的可再生能源。

審核編輯：劉清