TI 芯科技赋能中国新基建之谈谈储能背后的黑科技
2022 年，在政策扶持和市场需求的双重刺激下，储能一下子成为了最为炙手可热的产业之一，这背后实质是可再生能源装机量的不断攀升。与火电等可以主动控制发电量的机组不同，可再生能源的发电受自然环境影响，具有很强的不确定性，甚至无法与电网兼容，因此需要配套储能系统以解决消纳、调峰、调频、稳定电网等各类问题。
根据国家能源局的数据显示，2016 - 2021 年间，我国平均弃风率和弃光率已经分别从 17.0% 和 10.3% 降至 3.1% 和 2.0%，这里面除了电网运营优化，技术进步的原因之外，也离不开储能的发展。而且中科院电工研究所储能技术研究组组长陈永翀日前表示，尽管我国的储能装机规模世界第一，但储能与风电光伏新能源装机规模的比例（简称“储新比”）不到 7%；相对而言，其他国家和地区的平均储新比已达 15.8%。随着新能源发电规模的快速增加，我国储新比还有很大的增长空间。
在储能技术上，虽然目前抽水蓄能占据了绝对主导的市场，但这项已有上百年历史的技术正让位于利用电池作为缓冲存储介质的电化学储能（简称 BESS），后者因为不受自然条件限制，并且具有快速响应、灵活部署等特性，与可再生能源容量小、布局分散、数量多的特点完全吻合，可在户用侧、工商业侧及网侧实现灵活部署。据中国化学与物理电源行业协会储能应用分会发布的《2022 储能产业应用研究报告》统计数据显示，2021 年中国新增储能项目个数 146 个，电化学储能项目就达 131 个，其中锂离子电池储能项目 120 个。与此同时，大型项目之外，更多以工商业和户用为代表的小微型储能站正在多点开花。
虽然从长远来看，BESS 的发展是大势所趋，但在现阶段，成本、安全性、使用寿命、环保等问题还在一定程度上对产业有所阻碍，技术方面的发展成为很重要的因素。BESS 简而言之就是直流与交流间的电力转换、电池充放电以及整个工业系统的控制过程，自然离不开电力电子技术来确保储能系统的安全和高效率。因此，一般而言，典型的 BESS 包含以下几部分：PCS（power conversion system，功率转换系统）负责电池直流链路和逆变器交流母线（即电池和电网）之间的功率变换，BMS（电池管理系统）负责监控电池的各项关键信息，以及 EMS（能源管理系统）负责操作和控制整个系统。
无论是储能系统的任何部分，都离不开芯片的支持。本文将通过具体的产品和方案，让大家了解 BESS 系统的关键组成，以及如何克服所面临的挑战。在该领域，电力电子的主要供应商之一德州仪器 (TI) 有着数十年相关技术积累，同时对于电池管理以及工业控制，TI 也有着丰富的产品及系统经验，可以为整个 ESS 系统构建完整的信号及能量传递链路，因此本文选取了 TI 几款具有代表性的产品和方案。
双向功率转换系统
在以往没有配套储能的时代，可再生能源的电力流向往往都是单向直接传至电网侧。在这种架构下添加储能系统，显然一个双向系统优于两个单向系统。因此需要为储能侧增加双向 DC/DC 充放电管理，同时在 AC/DC 侧也需要更改为双向架构，集成 PFC（power factor correction，功率因数校正）和逆变器。这种更灵活的双向结构，有助于实现更好的削峰填谷，在电价便宜或者发电量多的时候存入电能，而在有需求时候及时释放。
一般而言，这种双向架构就意味着两套彼此独立的转换系统，包括功率、控制、保护等等，这带来了更高的系统成本，更复杂的布局布线以及更大的体积。
双向 PFC 与逆变级
由于拓扑结构中的功率器件基本相同，因此可将二者结合，从而实现系统的高效和小尺寸。其中双向 DC/DC 功率级是专为储能逆变器所打造的，双向 DC/DC 功率级的常见拓扑是 CLLLC 和 DAB。而对于离网/并网双向逆变器/ PFC 功率级而言，并不需要特殊的拓扑来实现，因为标准组串式逆变器中常用的逆变器功率级，如两级 H 桥、HERIC、三电平 TNPC、三电平 NPC 和三电平 ANPC 等都能够实现双向转换。
这些复杂的拓扑，给电源的转换和控制带来了诸多挑战。同时，对于大功率逆变器而言，可能存在数个并联情况，因此也需要彼此间和与电网间的同步需求。
同时，为了实现更高的转换效率和储能密度，储能系统正在越来越多地引入宽禁带半导体作为其功率器件，相比传统硅器件，宽禁带半导体可以实现更高的开关频率，从而提高转换效率并降低尺寸，但这种更高的开关频率也给从驱动设计到布局布线、EMI、热管理等方面带来了挑战。
效率、体积和成本固然重要，但可靠性和安全性永远是第一位的。比如对于并网的双向逆变器而言，需要具备检测和隔离功能，在电网出现故障（如停电、掉电、过压等）时，应及时断开。
正如以上种种挑战，无论对哪类电源拓扑，设计都绝非易事。因此最佳方案是尽可能的选择一套优化的参考设计方案，以及一站式供应商。TI 提供了多种拓扑参考方案，从而满足各类功率转换系统的需求。
TIDA-010210 参考设计
以 TI 的基于 GaN 的 11kW 双向三相 ANPC 参考设计 TIDA-010210 为例，此参考设计提供了用于实现基于氮化镓 (GaN) 的三电平三相 ANPC 逆变器功率级设计模板。使用快速开关型功率器件可实现 100kHz 的更高开关频率，不仅减小了滤波器磁性元件的尺寸，还提高了功率级的功率密度。多级拓扑允许在高达 1000V 的较高直流总线电压下使用额定电压为 600V 的功率器件，这是在其他拓扑中无法实现的。同时，较低的开关电压应力可降低开关损耗，从而使峰值效率达到 98.5%，并且也可提升系统的可靠性。
该方案集成了 TI 的多款明星产品，包括 C2000 32 位 MCU、集成驱动、保护和温度报告的 GaN FET、栅极驱动器、开关转换器等电源类产品以及数字隔离器、放大器等信号链产品。
通过多级拓扑可以使用低电压开关器件，但也意味着需要驱动更多开关，并且即使在异常操作期间也需要避免过压。在此参考设计中 TI 仅用一颗 C2000 就在有限的 PWM 下控制 18 个功率元件，并通过集成的 CLB 实现基于硬件的连锁保护，从而无需使用外置的 FPGA 或 CPLD。并且只需软件控制，就可实现换向功能。
高可靠电池管理系统
与功率转换系统相类似，电池管理系统首先要保证足够的安全可靠，其次则是在效率、体积和成本方面进行优化，而 BMS 是确保电池安全的最重要的系统。
典型的储能 BMS 系统大致可分为 BMU、BDU 以及 BCU，其中 BMU 实现单独电池信息采集，BDU 进行电池簇的管理，BCU 则负责整体的控制和通信。
由于电池管理系统更关注电池充放电管理，所以需要详细收集各类信息，包括电池信息存储、采集、均衡控制、充放电管理等。因此一个高性能 AFE 是实现高水平 BMS 的关键，应在精确性、鲁棒性、安全性以及系统成本等方面解决客户的痛点。
BQ7961x 简化系统框图
TI 的 BQ7961x 系列精密电池监控器、平衡器和集成硬件保护器，就是一款迎合储能客户需求的 AFE。首先在精度上，可以实现 2mV 以内的电压采样精度以及小于 0.3% 的电流采样精度，16 位 ADC 对 16 串电池的扫描时间仅为 128μS，并且集成数字滤波，帮助客户实现更高精度的电池 SoC 和 SoH 计算，从而对电池进行更好管理。在可靠性上，TI 增强了引脚耐压，可以承受高达 80V 电压。由于储能系统内部的 EMC 干扰强，很可能进入异常状态，有上电重启需求。BQ79616 内部提供硬件复位，更加稳定耐用。更重要的是，TI 的 BQ7961x 系列采用隔离式差分菊花链通信，可以实现双向通信及双向唤醒，在某个节点损坏的情况下，仍然可以实现通信，并且在电池簇管理上，也采用菊花链方式，连接包括霍尔传感器、保险丝、风扇、继电器等监控。
在安全性方面，BQ7961x-Q1?符合 ASIL-D 车规级安全，完全可以满足储能系统的安全性需求。提供双 ADC 冗余采样，可对电压、电流、温度、通信状态等进行监测与保护，并且具有自我诊断功能，相比软件检测更加准确高效。
TI 通过高级集成，降低系统的开发门槛和成本。比如 BQ7961x 系列集成了内部均衡 MOSFET，最高支持 250mA 电流，并且可以自动对电池进行均衡。此外，BQ7961x 系列提供了丰富的产品种类，在引脚兼容的情况下支持不同的电池串数，从而根据实际需求进行成本优化。
迎接储能市场新机遇
在中国坚定不移地发展新能源和电力体制改革的大背景下，储能是电力电子产业一颗冉冉升起的新星，无论从产品及商业形态还是其本身的科技含量，都在快速变化发展中，未来甚至每辆车都可以成为一个移动的储能站。在不断地变化中，选择经过大量市场验证、灵活可靠、且一站式交付的供应商，是确保产品开发及量产的重要保障。
推进可再生能源发展，打造更环保的电网是 TI 助力中国能源行业发展的初心，这其中也包括了储能产业。TI 正在通过广泛的模拟和嵌入式处理产品、丰富的参考设计、强大且全方位的本地支持，包括本地研发、本地销售和应用团队以及完全本地化的 TI.com.cn，帮助储能行业实现高可靠、高效率、小尺寸及更高性价比，以满足未来能源创新需求。
