太陽能和風電向電網(wǎng)提供可再生能源，但電力供需不平衡對其最大限度利用構成重大制約。比如中午左右，太陽能充足的時候，對電力的需求就不那么大了。結果，消費者為每瓦電支付更多費用。

適用于公用事業(yè)規(guī)模、住宅、商業(yè)和工業(yè)場景的儲能系統(tǒng)(ESS)應用在白天存儲來自太陽能和風能等可再生能源的能量，ESS通過存儲能源以供高峰時段使用，提高電網(wǎng)穩(wěn)定性并降低能源成本。

電池儲能系統(tǒng)(BESS)是一種常見的ESS ，它帶來了一些設計挑戰(zhàn)。主要包括安全使用、對電池電壓、溫度、電流的精確監(jiān)測以及電芯之間、電池組之間強大的平衡能力。讓我們仔細看看這些挑戰(zhàn)。

課題1：安全性

第一個挑戰(zhàn)是在BESS的整個使用壽命內保持電池安全。通常，該壽命超過10年。 BESS應用通常使用鋰離子(Li-ion)電池，尤其是磷酸鐵鋰(LiFePO 4)電池。

當電壓、溫度和電流超過其最大限制時，鋰離子電池容易冒煙、著火和爆炸。因此，監(jiān)測和保護電池電壓、溫度和電流數(shù)據(jù)非常重要。電池管理系統(tǒng)收集有關所有這些電池的信息，并在任何參數(shù)超出指定范圍時阻止它們充電或放電。因此，必須考慮和分析導致電池故障和電池管理系統(tǒng)故障的潛在因素。

圖1顯示了BESS架構。TI用于儲能系統(tǒng)的可堆疊電池管理單元參考設計展示了使用BQ79616 的可堆疊BMU (電池管理單元) 。該設計通過冗余數(shù)據(jù)測量來檢測問題。同時，儲能系統(tǒng)電池控制單元參考設計提出了帶有開關 的BCU(電池控制單元)，以確保系統(tǒng)安全。

圖1：BESS架構

挑戰(zhàn)2：高精度電池監(jiān)控

準確的電池數(shù)據(jù)可確保安全并最大限度地利用能源。鑒于LiFePO4充放電曲線 中存在較寬的平坦區(qū)域，電池電壓的微小測量誤差可能會導致剩余容量的較大誤差。因此，準確測量電池電壓和電池組電流對于準確估計充電狀態(tài)非常重要。準確的充電狀態(tài)信息是防止錯誤電池平衡的關鍵。過度充電和過度放電都會浪費電池的最大可用能量。

另一個重要的測量是溫度。大多數(shù)電池起火、爆炸等事故都是由于電池熱失控造成的。

圖2顯示了TI的可堆疊電池管理單元參考設計。該設計使用BQ79616電池監(jiān)視器，在–20 °C 至65 °C 范圍內實現(xiàn)了± 3mV的低電池電壓誤差。對于住宅系統(tǒng)，您還可以使用BQ76952電池監(jiān)視器。該產品在 -40°C 至 85°C 范圍內實現(xiàn)了 ± 5mV的電池電壓誤差。多路復用器開關擴展了溫度測量通道的數(shù)量，使您能夠監(jiān)控每個電池和電源總線連接器的溫度?？啥询B電池參考設計提供了一個額外的溫度通道來執(zhí)行多路復用器開關診斷檢查。

圖2：可堆疊電池管理單元參考設計

還需要高精度且可靠的電流測量解決方案來執(zhí)行ESS的充電狀態(tài)監(jiān)控。 BQ79731-Q1電壓和電流傳感器包括A/D位24用于電流檢測的

挑戰(zhàn)三：電芯和電池組的平衡能力

由于負載波動，電池組的電流消耗率并不總是均勻的。這些變化導致多個電池組之間的剩余能量不平衡，從而降低了整個ESS可用的最大能量。此外，新電池之間的不匹配或冷卻要求的差異可能會導致電池之間的不平衡，甚至在電池組內也是如此。無源電池平衡拓撲會消耗電阻器中的電池能量，不建議用于電池組級平衡。被動電池平衡會消耗過多電量并導致電池組發(fā)熱。

在產品的整個使用壽命期間，電池組不平衡現(xiàn)象會持續(xù)惡化。正如已經解釋過的，ESS的使用壽命可以超過10年。在10年內，某些電池組可能會比其他電池組老化得更快，從而需要用戶更換老化的電池組。如果沒有強大的電池組級平衡電路，則必須有人對新電池組進行充電或放電，使其能量與ESS中的剩余電池組大致相等。此類工作難度大、成本高且勞動強度大，因此存在風險因素。

電池單元不平衡也受到電池容量的影響。電池制造商正在開發(fā)更大容量的電池，范圍從280Ah到314Ah，甚至560Ah ，以優(yōu)化ESS的單位能量成本(美元/千瓦時)。具有較大容量電池的電池組需要更高的有效平衡電流，以確保電池組中的所有電池持續(xù)提供相同量的能量。

有多種方法可以平衡多個包。圖3顯示了用于儲能?系統(tǒng)?的雙向CLLLC諧振轉換器參考設計，該設計?通過單個雙向隔離式DC/DC轉換器從高壓總線對多個電池組進行充電和放電。通過控制充電和放電電流，隔離式DC/DC轉換器可以平衡多個電池組，并使剩余容量或電池組電壓相互均衡。由于充電和放電電流均經過該雙向DC/DC轉換器，因此整體效率較低，并且雙向DC/DC轉換器具有較高的額定功率。

圖 3：從電池組到高壓總線的雙向隔離式 DC/DC 轉換器。

圖 4：從電池組連接到低壓總線的雙向隔離式 DC/DC 轉換器

概括

安全可靠的電池管理系統(tǒng)消除了鋰離子和LiFePO 4電池組的安全問題，并通過精心設計的保護功能延長了，即使在單個設備發(fā)生故障的情況下也是如此。