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德州儀器（TI）：中國新基礎設施談儲能背后的黑科技

（2025年1月15日更新）

2022年，在政策支持和市場需求的雙重刺激下，儲能突然成為最熱門的行業之一，本質上是可再生能源裝機容量的上升。與能夠主動控制發電的機組不同，可再生能源的發電受自然環境的影響，不確定性強，甚至不能與電網兼容。因此，需要支持儲能系統來解決消耗、峰值調整、頻率調整、穩定電網等問題。

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根據國家能源局的數據，2016-2021年，中國的平均棄風率和棄光率分別從17.0%和10.3%降至3.1%和2.0%。除了電網運營優化和技術進步，儲能的發展也是不可或缺的。此外，中國科學院電氣研究所儲能技術研究小組組長陳永沖近日表示，雖然中國儲能裝機規模居世界第一，但儲能與風電光伏新能源裝機規模的比例（以下簡稱"儲新比"）不到7%；相對而言，其他國家和地區的平均儲新比已達15.8%。隨著新能源發電規模的快速增長，我國儲新比仍有很大的增長空間。

在儲能技術方面，雖然抽水儲能占據了絕對主導的市場，但這項有數百年歷史的技術正在允許使用電池作為緩沖存儲介質的電化學儲能（以下簡稱BESS），后者不受自然條件的限制，具有響應快、部署靈活的特點，完全符合可再生能源容量小、布局分散、數量多的特點，可在家庭、工商、網絡側實現靈活部署。根據中國化工物理電力行業協會儲能應用分會發布的《2022儲能行業應用研究報告》統計，2021年中國新增儲能項目146個，電化學儲能項目131個，其中鋰離子電池儲能項目120個。與此同時，除了大型項目，更多以工商、戶用為代表的小微儲能站正在多點開花。

雖然從長遠來看，BESS發展是大勢所趨，但現階段成本、安全、使用壽命、環保等問題仍在一定程度上阻礙了行業，技術發展成為一個非常重要的因素。BESS簡而言之，直流和交流之間的電力轉換、電池充放電和整個工業系統的控制過程自然與電力和電子技術不可分割，以確保儲能系統的安全和效率。所以，一般來說，典型的BESS包括以下部分：PCS（power conversionsystem，負責電池直流鏈路與逆變器交流母線(即電池與電網)之間的功率轉換，BMS(電池管理系統)負責監控電池的關鍵信息和EMS(能源管理系統)負責整個系統的操作和控制。

儲能系統的任何部分都離不開芯片的支持。Taitien代理通過具體的產品和方案，讓大家了解BESS系統的關鍵組成，以及如何克服挑戰。德州儀器是電力電子的主要供應商之一（TI）對電池管理和工業控制有幾十年的相關技術積累，TI也有豐富的產品和系統經驗，可以為整個產品提供服務ESS本文選取了系統構建完整的信號和能量傳輸鏈路TI幾款有代表性的產品和方案。

雙向功率轉換系統

在過去沒有配套儲能的時代，可再生能源的電流往往是單向直接傳輸到電網側的。在此架構下添加儲能系統，顯然雙向系統優于兩個單向系統。因此，儲能側需要增加雙向DC/DC同時充放電管理AC/DC側面也需要改為雙向架構，集成PFC（power factor correction，校正功率因數)和逆變器。這種更靈活的雙向結構有助于在電價便宜或發電量大的情況下實現更好的削峰填谷，并在需要時及時釋放電能。

一般來說，這種雙向架構意味著兩個獨立的轉換系統，包括功率、控制、保護等，帶來了更高的系統成本、更復雜的布局布線和更大的體積。

雙向PFC與逆變級

由于拓撲結構中的功率器件基本相同，可以將兩者結合起來，實現系統的高效和小尺寸。其中雙向DC/DC功率級是專門為儲能逆變器設計的，雙向DC/DC 常見的功率級拓撲是CLLLC和DAB。對于離網/并網雙向逆變器/PFC 就功率級而言，不需要特殊的拓撲來實現，因為常用的逆變器功率級，如兩級H 橋、HERIC、三電平TNPC、三電平NPC 和三電平ANPC 可實現雙向轉換。

這些復雜的拓撲給電源的轉換和控制帶來了許多挑戰。同時，對于大功率逆變器，可能會有幾個并聯，因此需要與電網同步。

同時，為了實現更高的轉換效率和儲能密度，儲能系統越來越引入寬帶半導體作為其功率設備，與傳統硅設備相比，寬帶半導體可以實現更高的開關頻率，從而提高轉換效率，降低尺寸，但從驅動設計到布局布線，EMI、熱管理帶來了挑戰。

效率、體積和成本很重要，但可靠性和安全性總是第一位的。例如，對于并網的雙向逆變器，需要具有檢測和隔離功能。當電網出現故障（如停電、斷電、過壓等）時，應及時斷開。

就像上述挑戰一樣，無論什么樣的電源拓撲，設計都不容易。因此，最好的方案是選擇一套優化的參考設計方案和一站式供應商。TI為滿足各種功率轉換系統的需要，提供了多種拓撲參考方案。

TIDA-010210參考設計

以TI的基于GaN 的11kW 雙向三相ANPC 參考設計TIDA-以010210為例，提供了基于氮化鎵的參考設計(GaN) 三電平三相ANPC 逆變器功率級設計模板。使用快速開關功率器件可實現1000kHz 更高的開關頻率不僅降低了濾波器磁性元件的尺寸，而且提高了功率級的功率密度。多級拓撲允許高達1000V 額定電壓為600V 在其他拓撲中無法實現的功率器件。同時，較低的開關電壓應力可以降低開關損耗，使峰值效率達到98.5%，提高系統的可靠性。

該方案集成TI包括明星產品，包括C2000 32位MCU、集成驅動、保護和溫度報告GaN FET、電源產品，如柵極驅動器、開關轉換器等，以及數字隔離器、放大器等信號鏈產品。

低壓開關設備可以通過多級拓撲使用，但也意味著需要驅動更多的開關，即使在異常運行過程中也需要避免過壓。本參考設計TI僅用一顆C2000就在有限的PWM通過集成控制18個功率元件CLB實現基于硬件的連鎖保護，無需外部使用FPGA或CPLD。而且只有軟件控制才能實現換向功能。

高可靠電池管理系統

類似于功率轉換系統，電池管理系統首先要保證足夠的安全性和可靠性，其次要優化效率、體積和成本BMS是保證電池安全最重要的系統。

典型的儲能BMS系統大致可為系統BMU、BDU以及BCU，其中BMU單獨收集電池信息，BDU管理電池簇，BCU負責整體控制和通信。

由于電池管理系統更注重電池充放電管理，需要詳細收集各種信息，包括電池信息存儲、采集、平衡控制、充放電管理等。因此，它具有高性能AFE實現高水平BMS關鍵是要解決客戶在準確性、魯棒性、安全性和系統成本方面的痛點。

BQ7961x簡化系統框圖

TI的BQ7961x一系列精密電池監控器、平衡器和集成硬件保護器是滿足儲能客戶需求的產品AFE。首先，在精度方面，可以實現2mV電壓采樣精度和電流采樣精度小于0.3%，16位ADC16串電池的掃描時間僅為128μS，并集成數字濾波，幫助客戶實現更高精度的電池SoC和SoH從而更好地管理電池。在可靠性方面，TI增強引腳的耐壓性，能承受80度V電壓。由于儲能系統內部EMC干擾強，可能進入異常狀態，需要上電重啟。BQ79616內部提供硬件復位，更穩定耐用。更重要的是，更重要的是，TI的BQ7961x該系列采用隔離菊花鏈通信，可實現雙向通信和雙向喚醒。當某個節點損壞時，仍可實現通信。在電池簇管理中，還采用菊花鏈連接霍爾傳感器、保險絲、風扇、繼電器等監控。

安全方面，BQ7961x-Q1符合ASIL-D車輛規級安全，能完全滿足儲能系統的安全要求。提供雙重ADC冗余采樣可以監測和保護電壓、電流、溫度和通信狀態，并具有自我診斷功能，比軟件檢測更準確、更高效。

TI通過高級集成，降低系統的開發門檻和成本。BQ7961x系列集成了內部平衡MOSFET，最高支持250mA另外，電流可以自動平衡電池。BQ7961x該系列提供了豐富的產品類型，在引腳兼容的情況下支持不同的電池串數，從而根據實際需要優化成本。

迎接儲能市場的新機遇

在我國新能源和電力系統改革堅定不移發展的背景下，儲能是電力電子產業崛起的新星。無論是產品、商業形式還是自身的科技內容，都在快速變化和發展。在未來，甚至每輛車都可以成為一個移動儲能站。在不斷變化的過程中，選擇經過大量市場驗證、靈活可靠、一站式交付的供應商是確保產品開發和大規模生產的重要保證。

促進可再生能源發展，建設更環保的電網TI包括儲能產業在內的幫助中國能源產業發展的初衷。TI通過廣泛的模擬和嵌入式處理產品、豐富的參考設計、強大而全面的本地支持，包括本地研發、本地銷售和應用團隊以及完全本地化TI.com.cn，為了滿足未來能源創新的需要，幫助儲能行業實現高可靠性、高效率、小尺寸、高性價比。