Ryan Tan

太陽(yáng)能和風(fēng)能為電網(wǎng)帶來(lái)了可再生能源，但存在供需不平衡問(wèn)題，這也是影響此類能源利用率的主要限制因素。雖然太陽(yáng)能在中午很充足，但此時(shí)的用電需求不夠高，所以消費(fèi)者的用電成本仍然居高不下。

適用于公用事業(yè)機(jī)構(gòu)、住宅、商業(yè)和工業(yè)場(chǎng)景的儲(chǔ)能系統(tǒng) (ESS) 應(yīng)用可以在白天收集太陽(yáng)能和風(fēng)能等可再生能源的能量，并在需求高峰期或電網(wǎng)電價(jià)較高時(shí)釋放儲(chǔ)存的能量。ESS 儲(chǔ)存能量供高峰時(shí)段使用，可穩(wěn)定電網(wǎng)并降低能源成本。

與電池儲(chǔ)能系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱 BESS，這是一種較常見的 ESS 類型）相關(guān)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)包括：安全使用；精確監(jiān)測(cè)電池電壓、溫度和電流；以及電芯和電池包之間強(qiáng)健的均衡能力。下面詳細(xì)介紹這些挑戰(zhàn)。

挑戰(zhàn) 1：安全

第一大挑戰(zhàn)是在 BESS 的整個(gè)壽命周期內(nèi)保持電池安全，這一周期通常超過(guò) 10 年。BESS 應(yīng)用通常使用鋰離子 (Li-ion) 電池，特別是磷酸鐵鋰 (LiFePO₄) 電池。

當(dāng)電壓、溫度和電流超過(guò)其最大限值時(shí)，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(cè)及保護(hù)至關(guān)重要。在這種情況下，您應(yīng)該考慮和分析電池故障和電池管理系統(tǒng)故障的可能性。

圖 1 演示了一個(gè) BESS 架構(gòu)。TI 適用于儲(chǔ)能系統(tǒng)的可堆疊電池管理單元參考設(shè)計(jì)描述了一個(gè)使用 BQ79616 來(lái)檢測(cè)冗余數(shù)據(jù)測(cè)量問(wèn)題的可堆疊電池管理單元 (BMU)，而適用于儲(chǔ)能系統(tǒng)的電池控制單元參考設(shè)計(jì)展示了一個(gè)通過(guò)開關(guān)確保系統(tǒng)安全的電池控制單元 (BCU)。

挑戰(zhàn) 2：精確的電池監(jiān)測(cè)

精確的電池?cái)?shù)據(jù)可確保安全并提高能源利用率。由于磷酸鐵鋰 (LiFePO₄) 充放電曲線中存在范圍較大的平坦區(qū)間，即使微小的電池電壓測(cè)量誤差也會(huì)導(dǎo)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(cè)量對(duì)于準(zhǔn)確估算電量非常重要。精確的電量信息是避免電池平衡錯(cuò)誤的關(guān)鍵，發(fā)生這種錯(cuò)誤時(shí)，過(guò)度充電和過(guò)度放電會(huì)破壞電池的最大可用容量。

另一個(gè)重要的測(cè)量指標(biāo)則是溫度。大多數(shù)電池起火和爆炸事故都是由電池?zé)崾Э匾鸬摹?/p>

圖 2 展示了 TI 的可堆疊電池管理單元參考設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)采用 BQ79616 電池監(jiān)測(cè)器，可在 -20°C 至 65°C 范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn) ±3mV 的電池電壓誤差。對(duì)于住宅系統(tǒng)，設(shè)計(jì)中也可以選用 BQ76972 電池監(jiān)測(cè)器，該器件可在 -40°C 至 85°C 范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn) ±5mV 的電池電壓誤差。多路復(fù)用器開關(guān)可以擴(kuò)展溫度測(cè)量通道，確保監(jiān)測(cè)每個(gè)電池和電源總線連接器的溫度?？啥询B電池參考設(shè)計(jì)預(yù)留了額外的溫度通道以用于多路復(fù)用器開關(guān)的診斷檢查。

ESS 電量監(jiān)測(cè)也需要準(zhǔn)確可靠的電流測(cè)量解決方案。BQ79731-Q1 電壓和電流傳感器集成了雙路 24 位電流檢測(cè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其具有冗余通道，有助于確保系統(tǒng)安全性和電流數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

挑戰(zhàn) 3：電池和電池包的平衡能力

由于負(fù)載變化，電池包可能會(huì)以不同的速率消耗電流。這些變化會(huì)導(dǎo)致電池包剩余電量之間的不平衡，并降低整個(gè) ESS 的最大可用電量。新電池之間的不一致以及不同散熱條件也會(huì)導(dǎo)致不同電池之間的不平衡，即使在同一個(gè)電池包內(nèi)也是如此。被動(dòng)電池平衡會(huì)在電阻上消耗電池能量，由于其功耗過(guò)高并會(huì)導(dǎo)致電池包發(fā)熱，因此不建議用于電池包級(jí)別的平衡。

電池包的不平衡會(huì)在產(chǎn)品的使用壽命內(nèi)逐漸惡化，而且，ESS 的使用壽命可能超過(guò) 10 年。有些電池包在 10 年的周期內(nèi)可能會(huì)比其他電池包老化得更快，導(dǎo)致用戶不得不更換老化的電池包。如果沒(méi)有強(qiáng)大的電池包級(jí)別平衡電路，則必須由人工對(duì)新電池包進(jìn)行充電或放電，使新電池包的能量幾乎等于 ESS 中其余電池包的能量。但是，這種做法不僅有風(fēng)險(xiǎn)，而且難度大、成本高、耗費(fèi)人力。

電池不平衡也受到電池容量的影響。為了優(yōu)化整個(gè) ESS 的每千瓦時(shí)單位能源成本，電池制造商正在開發(fā)更大容量的電池，容量從 280Ah 擴(kuò)大到 314Ah，甚至到 560Ah。為了使電池包內(nèi)的所有電池持續(xù)提供相同的能量，電池包中的電池容量越大，需要的有效平衡電流越大。

電池包有多種平衡方法。圖 3 展示了一種方法，該方法采用面向儲(chǔ)能系統(tǒng)的雙向 CLLLC 諧振轉(zhuǎn)換器參考設(shè)計(jì)，從高壓總線對(duì)電池包進(jìn)行充放電。隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器通過(guò)控制充電電流和放電電流來(lái)平衡電池包，使其匹配剩余電量或電池包電壓。由于充電電流和放電電流都會(huì)流過(guò)雙向 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，因此整體效率低，而且雙向 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的額定功率較大。

結(jié)語(yǔ)

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(wèn)題，并通過(guò)精心設(shè)計(jì)的保護(hù)功能幫助延長(zhǎng) ESS 壽命，甚至在發(fā)生單一設(shè)備故障時(shí)也能從容應(yīng)對(duì)。精確的數(shù)據(jù)檢測(cè)以及電池包和電池級(jí)別的平衡能力可以在充電和放電時(shí)實(shí)現(xiàn)電池容量相等，并更大限度提高太陽(yáng)能和其他可再生能源的能源利用率，最后使最終用戶能夠獲得安全、穩(wěn)定和低成本的可再生能源。

其他資源

• 閱讀應(yīng)用簡(jiǎn)報(bào)“跨儲(chǔ)能系統(tǒng)擴(kuò)展精確的電池管理設(shè)計(jì)”。
• 觀看視頻“設(shè)計(jì)高精度電池儲(chǔ)能系統(tǒng)”。
• 查看電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的產(chǎn)品和參考設(shè)計(jì)。