如何解决储能系统的三大挑战

太阳能和风电为电网带来了可再生能源，其最主要的限制是供需不平衡，既中午太阳能充足时，需求并不高，而当早晨或夜晚用电尖峰时，却不能发电，无法最大化利用新能源。

适用于公用事业规模、住宅以及商业和工业场景的储能系统 (ESS) 应用在白天从太阳能和风能等可再生能源中捕获能量，并在需求或电网电价较高时输送这些电能。通过存储能源以供高峰时段使用，ESS 可以稳定电网并降低能源成本。

也正因此，电池储能系统 (BESS)如今变得非常流行，但也产生了很多设计挑战，具体包括安全使用；准确监测电池电压、温度和电流；电芯和电池组之间的平衡。

挑战一：安全

第一个挑战是在 BESS 的整个使用寿命（通常超过 10 年）内保持电池安全。BESS 应用通常使用锂离子 (Li-ion) 电池，特别是磷酸铁锂 (LiFePO 4 ) 电池。

如果电压、温度和电流超过其最大限制，锂离子电池很容易冒烟、起火或爆炸，因此电池的电压、温度和电流数据监测和保护非常重要。因此，应该考虑并分析电池故障和电池管理系统故障的可能性。

图 1 展示了 BESS 架构。TI用于储能系统的可堆叠电池管理单元参考设计描述了一个可堆叠电池管理单元 (BMU)，该单元使用 BQ79616 来检测冗余数据测量。储能系统的电池控制单元参考设计则展示了一个电池控制单元 (BCU) ，带有确保系统安全的开关。 

图1：BESS架构

挑战二：准确的电池监控

准确的电池数据可确保安全并最大限度地提高能量的存储能力。考虑到 LiFePO 4充电和放电曲线的宽而平坦的区域，微小的电池电压测量误差可能会导致巨大的剩余容量误差，因此准确的电池电压和电池组电流测量对于准确的充电状态估计非常重要。准确的充电状态信息是避免电池错误平衡的关键，其中过度充电和过度放电可能会破坏电池的健康。

另一个重要的测量是温度。大多数电池起火、爆炸事故都是由电池热失控引起的。

图 2 显示了 TI 的可堆叠电池管理单元参考设计，该设计使用 BQ79616 电池监视器在 –20°C 至 65°C 范围内实现了 ±3mV 电池电压误差。对于住宅系统，设计人员可以选择使用 BQ76952 电池监视器，该监视器可以在 -20°C 至 65°C 范围内实现 ±5mV 电池电压误差。多路复用器开关扩展了温度测量通道，以确保监控每个电池芯和电源总线连接器的温度。可堆叠电池参考设计保留了额外的温度通道，用于多路复用器开关的诊断检查。

图 2：可堆叠电池管理单元参考设计

准确可靠的电流测量解决方案对于 ESS 充电状态监控也是必要的。BQ79731-Q1 电压和电流传感器集成了双 24 位电流感应模数转换器，并具有冗余通道，有助于确保系统安全性和电流数据的准确性。 

挑战三：电芯和电池组的平衡能力

由于负载变化，电池组可能会以不同的速率消耗电流。这些变化会导致电池组剩余能量不平衡，并降低整个 ESS 的最大可用能量。电池之间的不一致和不同的热冷却条件也会导致不同电池之间的不平衡，甚至在一个电池组内部也是如此。被动电池平衡会利用电阻消耗电芯能量，不建议用于电池组级平衡，因为它会产生过多的功耗并加热电池组。

电池组不平衡在产品的整个使用寿命期间会恶化，考虑到 ESS 的使用寿命可能超过 10 年。有些电池组的老化速度可能比其他电池组快 10 年以上，迫使用户更换老化的电池组。如果没有强大的电池组平衡电路，就必须对新电池组进行充电或放电，使其能量几乎等于 ESS 中剩余电池组的能量。但即便如此也是有风险的，因为它很困难、昂贵且耗费劳动力。

电池单元不平衡也受到电池容量的影响。电池制造商正在开发更大容量的电池——从 280 Ah 到 314 Ah 甚至 560 Ah——以优化整个 ESS 的每千瓦时能源成本。电池容量较大的电池组需要更大的有效平衡电流，以使电池组内的所有电池持续提供相同的能量。

有多种方法可以平衡能量。图 3 显示了一种通过高压总线通过双向隔离 DC/DC 转换器对电池组充电和放电的方法。通过控制充电和放电电流，隔离式 DC/DC 转换器可以平衡电池组，以匹配剩余容量或电池组电压。由于充电和放电电流均流过双向DC/DC变换器，因此双向DC/DC变换器的整体效率较低且额定功率较大。

图 3：从电池组到高压总线的双向隔离 DC/DC 转换器

图 4：从电池组到低压总线的双向隔离式 DC/DC 转换器

结论

安全可靠的电池管理系统消除了对锂离子和 LiFePO 4电池安全性的担忧，并通过精心设计的保护措施帮助延长 ESS 使用寿命，即使在单个设备故障的情况下也是如此。准确的数据传感和电池组、电芯级平衡，实现等容量充放电，最大限度地提高太阳能等可再生能源的利用率，最终使终端用户获得安全、稳定、低成本的可再生能源。