電池儲(chǔ)能系統(tǒng)需要克服的三大設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

太陽(yáng)能和風(fēng)能為電網(wǎng)帶來(lái)了可再生能源，但供需不平衡的問(wèn)題成為影響此類(lèi)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。

電網(wǎng)儲(chǔ)能、家用儲(chǔ)能、和工商業(yè)儲(chǔ)能系統(tǒng) (ESS) 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。通過(guò)儲(chǔ)存能量供高峰時(shí)段使用，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以穩(wěn)定電網(wǎng)并降低能源成本。

與電池儲(chǔ)能系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng) BESS，這是較常見(jiàn)的一種儲(chǔ)能系統(tǒng)）相關(guān)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)包括：1) 安全使用；2) 精確監(jiān)測(cè)電池電壓、溫度和電流；以及 3) 電池之間和電池包之間強(qiáng)大的均衡能力。下面詳細(xì)介紹這些挑戰(zhàn)。

挑戰(zhàn) 1：安全

第一大挑戰(zhàn)是在電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的整個(gè)生命周期內(nèi)保持電池安全，這一周期通常超過(guò) 10 年。電池儲(chǔ)能系統(tǒng)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)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。因此，應(yīng)該對(duì)電池和電池管理系統(tǒng)出現(xiàn)故障的可能性進(jìn)行考慮和分析。

圖 1 展示了一個(gè)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的架構(gòu)。德州儀器適用于儲(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)通過(guò)使用 BQ79616 集成的冗余電池信息檢測(cè)來(lái)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)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)可靠的開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)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(cè)

精確的電池?cái)?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(tái)區(qū)，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。而精確的電量信息是避免電池錯(cuò)誤均衡的關(guān)鍵，過(guò)度均衡充電和過(guò)度均衡放電都會(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)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 展示了德州儀器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)于家庭儲(chǔ)能系統(tǒng)，也可以選用電池監(jiān)測(cè)器 BQ76972，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(kāi)關(guān)可以擴(kuò)展溫度測(cè)量通道，以實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)電池和電源總線連接器的溫度監(jiān)測(cè)。該參考設(shè)計(jì)還預(yù)留了額外的溫度采樣通道以用于多路復(fù)用器開(kāi)關(guān)的診斷檢查。

圖 2：可堆疊電池管理單元參考設(shè)計(jì)

儲(chǔ)能系統(tǒng)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通道 24 位電流檢測(cè)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(zhǔn)確性。

挑戰(zhàn) 3：電池和電池包的均衡能力

由于負(fù)載不一致性，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)致電池包之間剩余電量的不均衡，并降低整個(gè)儲(chǔ)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(huì)導(dǎo)致不同電池之間的不均衡，即使在同一個(gè)電池包內(nèi)也是如此。被動(dòng)電池均衡會(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)別的均衡。

電池包的不均衡會(huì)在產(chǎn)品的使用壽命內(nèi)逐漸惡化，而儲(chǔ)能系統(tǒng)的使用壽命可能超過(guò) 10 年。在 10 年的周期內(nèi)，有些電池包可能會(huì)比其他電池包老化得更快，導(dǎo)致用戶不得不提前更換老化的電池包。如果沒(méi)有強(qiáng)大的電池包級(jí)別均衡電路，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儲(chǔ)能系統(tǒng)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。

電池不均衡也受到電池容量的影響。為了優(yōu)化整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的單位能量成本，電池制造商正在開(kāi)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(guò)雙向隔離式直流/直流轉(zhuǎn)換器對(duì)電池包進(jìn)行充電和放電的一種方法。通過(guò)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(huì)流過(guò)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(shuō)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(lái)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(shí)才會(huì)工作。由于均衡能量只在不同的電池包之間流動(dòng)，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(dòng)態(tài)平衡。

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(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)儲(chǔ)能系統(tǒng) 壽命，甚至在發(fā)生單一失效時(shí)也能從容應(yīng)對(duì)。精確的數(shù)據(jù)檢測(cè)以及強(qiáng)大的電池包和電池級(jí)別的均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。