德州儀器（TI）：芯科技賦能中國(guó)新基建之談?wù)剝?chǔ)能背后的黑科技

2022年，在政策扶持和市場(chǎng)需求的雙重刺激下，儲(chǔ)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(jī)量的不斷攀升。和火電等可以主動(dòng)控制發(fā)電量的機(jī)組不同，可再生能源的發(fā)電受自然環(huán)境影響，具有很強(qiáng)的不確定性，甚至無(wú)法與電網(wǎng)兼容，因此需要配套儲(chǔ)能系統(tǒng)以解決消納、調(diào)峰、調(diào)頻、穩(wěn)定電網(wǎng)等各類(lèi)問(wèn)題。

根據(jù)國(guó)家能源局的數(shù)據(jù)顯示，2016-2021年間，我國(guó)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(yùn)營(yíng)優(yōu)化，技術(shù)進(jìn)步的原因之外，也離不開(kāi)儲(chǔ)能的發(fā)展。而且中科院電工研究所儲(chǔ)能技術(shù)研究組組長(zhǎng)陳永翀日前表示，盡管我國(guó)的儲(chǔ)能裝機(jī)規(guī)模世界第一，但儲(chǔ)能與風(fēng)電光伏新能源裝機(jī)規(guī)模的比例（簡(jiǎn)稱(chēng)"儲(chǔ)新比"）不到7%；相對(duì)而言，其他國(guó)家和地區(qū)的平均儲(chǔ)新比已達(dá)15.8%。隨著新能源發(fā)電規(guī)模的快速增加，我國(guó)儲(chǔ)新比還有很大的增長(zhǎng)空間。

在儲(chǔ)能技術(shù)上，雖然目前抽水蓄能占據(jù)了絕對(duì)主導(dǎo)的市場(chǎng)，但這項(xiàng)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(chǔ)介質(zhì)的電化學(xué)儲(chǔ)能（簡(jiǎn)稱(chēng)BESS），后者因?yàn)椴皇茏匀粭l件限制，并且具有快速響應(yīng)、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(diǎn)完全吻合，可在戶(hù)用側(cè)、工商業(yè)側(cè)及網(wǎng)側(cè)實(shí)現(xiàn)靈活部署。據(jù)中國(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)儲(chǔ)能應(yīng)用分會(huì)發(fā)布的《2022儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)應(yīng)用研究報(bào)告》統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2021年中國(guó)新增儲(chǔ)能項(xiàng)目個(gè)數(shù)146個(gè)，電化學(xué)儲(chǔ)能項(xiàng)目就達(dá)131個(gè)，其中鋰離子電池儲(chǔ)能項(xiàng)目120個(gè)。與此同時(shí)，大型項(xiàng)目之外，更多以工商業(yè)和戶(hù)用為代表的小微型儲(chǔ)能站正在多點(diǎn)開(kāi)花。

雖然從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，BESS的發(fā)展是大勢(shì)所趨，但在現(xiàn)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(duì)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(zhuǎn)換、電池充放電以及整個(gè)工業(yè)系統(tǒng)的控制過(guò)程，自然離不開(kāi)電力電子技術(shù)來(lái)確保儲(chǔ)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(fù)責(zé)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(tǒng)）負(fù)責(zé)監(jiān)控電池的各項(xiàng)關(guān)鍵信息，以及EMS（能源管理系統(tǒng)）負(fù)責(zé)操作和控制整個(gè)系統(tǒng)。

無(wú)論是儲(chǔ)能系統(tǒng)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(tǒng)的關(guān)鍵組成，以及如何克服所面臨的挑戰(zhàn)。在該領(lǐng)域，電力電子的主要供應(yīng)商之一德州儀器（TI）有著數(shù)十年相關(guān)技術(shù)積累，同時(shí)對(duì)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(yàn)，可以為整個(gè)ESS系統(tǒng)構(gòu)建完整的信號(hào)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(méi)有配套儲(chǔ)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(cè)。在這種架構(gòu)下添加儲(chǔ)能系統(tǒng)，顯然一個(gè)雙向系統(tǒng)優(yōu)于兩個(gè)單向系統(tǒng)。因此需要為儲(chǔ)能側(cè)增加雙向DC/DC充放電管理，同時(shí)在AC/DC側(cè)也需要更改為雙向架構(gòu)，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(jié)構(gòu)，有助于實(shí)現(xiàn)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(gòu)就意味著兩套彼此獨(dú)立的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，包括功率、控制、保護(hù)等等，這帶來(lái)了更高的系統(tǒng)成本，更復(fù)雜的布局布線(xiàn)以及更大的體積。

由于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的功率器件基本相同，因此可將二者結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高效和小尺寸。其中雙向DC/DC功率級(jí)是專(zhuān)為儲(chǔ)能逆變器所打造的，雙向 DC/DC 功率級(jí)的常見(jiàn)拓?fù)涫?nbsp;CLLLC和DAB。而對(duì)于離網(wǎng)/并網(wǎng)雙向逆變器/PFC 功率級(jí)而言，并不需要特殊的拓?fù)鋪?lái)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)組串式逆變器中常用的逆變器功率級(jí)，如兩級(jí) 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(fù)雜的拓?fù)?，給電源的轉(zhuǎn)換和控制帶來(lái)了諸多挑戰(zhàn)。同時(shí)，對(duì)于大功率逆變器而言，可能存在數(shù)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(xiàn)更高的轉(zhuǎn)換效率和儲(chǔ)能密度，儲(chǔ)能系統(tǒng)正在越來(lái)越多地引入寬禁帶半導(dǎo)體作為其功率器件，相比傳統(tǒng)硅器件，寬禁帶半導(dǎo)體可以實(shí)現(xiàn)更高的開(kāi)關(guān)頻率，從而提高轉(zhuǎn)換效率并降低尺寸，但這種更高的開(kāi)關(guān)頻率也給從驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)到布局布線(xiàn)、EMI、熱管理等方面帶來(lái)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(yuǎn)是第一位的。比如對(duì)于并網(wǎng)的雙向逆變器而言，需要具備檢測(cè)和隔離功能，在電網(wǎng)出現(xiàn)故障（如停電、掉電、過(guò)壓等）時(shí)，應(yīng)及時(shí)斷開(kāi)。

正如以上種種挑戰(zhàn)，無(wú)論對(duì)哪類(lèi)電源拓?fù)洌O(shè)計(jì)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(shè)計(jì)方案，以及一站式供應(yīng)商。TI提供了多種拓?fù)鋮⒖挤桨福瑥亩鴿M(mǎn)足各類(lèi)功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的需求。

以TI的基于 GaN 的 11kW 雙向三相 ANPC 參考設(shè)計(jì)TIDA-010210為例，此參考設(shè)計(jì)提供了用于實(shí)現(xiàn)基于氮化鎵 (GaN) 的三電平三相 ANPC 逆變器功率級(jí)設(shè)計(jì)模板。使用快速開(kāi)關(guān)型功率器件可實(shí)現(xiàn) 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(jí)的功率密度。多級(jí)拓?fù)湓试S在高達(dá) 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?fù)渲袩o(wú)法實(shí)現(xiàn)的。同時(shí)，較低的開(kāi)關(guān)電壓應(yīng)力可降低開(kāi)關(guān)損耗，從而使峰值效率達(dá)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(dòng)、保護(hù)和溫度報(bào)告的GaN FET、柵極驅(qū)動(dòng)器、開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器等電源類(lèi)產(chǎn)品以及數(shù)字隔離器、放大器等信號(hào)鏈產(chǎn)品。

通過(guò)多級(jí)拓?fù)淇梢允褂玫碗妷洪_(kāi)關(guān)器件，但也意味著需要驅(qū)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(shè)計(jì)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(xiàn)基于硬件的連鎖保護(hù)，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(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(lèi)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(jìn)行優(yōu)化，而B(niǎo)MS是確保電池安全的最重要的系統(tǒng)。

典型的儲(chǔ)能BMS系統(tǒng)大致可分為BMU、BDU以及BCU，其中BMU實(shí)現(xiàn)單獨(dú)電池信息采集，BDU進(jìn)行電池簇的管理，BCU則負(fù)責(zé)整體的控制和通信。

由于電池管理系統(tǒng)更關(guān)注電池充放電管理，所以需要詳細(xì)收集各類(lèi)信息，包括電池信息存儲(chǔ)、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(xiàn)高水平BMS的關(guān)鍵，應(yīng)在精確性、魯棒性、安全性以及系統(tǒng)成本等方面解決客戶(hù)的痛點(diǎn)。

TI的BQ7961x系列精密電池監(jiān)控器、平衡器和集成硬件保護(hù)器，就是一款迎合儲(chǔ)能客戶(hù)需求的AFE。首先在精度上，可以實(shí)現(xiàn)2mV以?xún)?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(duì)16串電池的掃描時(shí)間僅為128μS，并且集成數(shù)字濾波，幫助客戶(hù)實(shí)現(xiàn)更高精度的電池SoC和SoH計(jì)算，從而對(duì)電池進(jìn)行更好管理。在可靠性上，TI增強(qiáng)了引腳耐壓，可以承受高達(dá)80V電壓。由于儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)部的EMC干擾強(qiáng)，很可能進(jìn)入異常狀態(tài)，有上電重啟需求。BQ79616內(nèi)部提供硬件復(fù)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(shí)現(xiàn)雙向通信及雙向喚醒，在某個(gè)節(jié)點(diǎn)損壞的情況下，仍然可以實(shí)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(xiǎn)絲、風(fēng)扇、繼電器等監(jiān)控。

在安全性方面，BQ7961x-Q1符合ASIL-D車(chē)規(guī)級(jí)安全，完全可以滿(mǎn)足儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全性需求。提供雙ADC冗余采樣，可對(duì)電壓、電流、溫度、通信狀態(tài)等進(jìn)行監(jiān)測(cè)與保護(hù)，并且具有自我診斷功能，相比軟件檢測(cè)更加準(zhǔn)確高效。

TI通過(guò)高級(jí)集成，降低系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)門(mén)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(dòng)對(duì)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?dāng)?shù)，從而根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行成本優(yōu)化。

迎接儲(chǔ)能市場(chǎng)新機(jī)遇

在中國(guó)堅(jiān)定不移地發(fā)展新能源和電力體制改革的大背景下，儲(chǔ)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(chǔ)能站。在不斷地變化中，選擇經(jīng)過(guò)大量市場(chǎng)驗(yàn)證、靈活可靠、且一站式交付的供應(yīng)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(guó)能源行業(yè)發(fā)展的初心，這其中也包括了儲(chǔ)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(shè)計(jì)、強(qiáng)大且全方位的本地支持，包括本地研發(fā)、本地銷(xiāo)售和應(yīng)用團(tuán)隊(duì)以及完全本地化的 TI.com.cn，幫助儲(chǔ)能行業(yè)實(shí)現(xiàn)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。