电池储能系统的三大设计挑战

[导读]太阳能和风电向电网提供可再生能源，但电力供需不平衡对其最大限度利用构成重大制约。比如中午左右，太阳能充足的时候，对电力的需求就不那么大了。结果，消费者为每瓦电支付更多费用。

太阳能和风电向电网提供可再生能源，但电力供需不平衡对其最大限度利用构成重大制约。比如中午左右，太阳能充足的时候，对电力的需求就不那么大了。结果，消费者为每瓦电支付更多费用。

适用于公用事业规模、住宅、商业和工业场景的储能系统(ESS)应用在白天存储来自太阳能和风能等可再生能源的能量，ESS通过存储能源以供高峰时段使用，提高电网稳定性并降低能源成本。

电池储能系统(BESS)是一种常见的ESS ，它带来了一些设计挑战。主要包括安全使用、对电池电压、温度、电流的精确监测以及电芯之间、电池组之间强大的平衡能力。让我们仔细看看这些挑战。

课题1：安全性

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

当电压、温度和电流超过其最大限制时，锂离子电池容易冒烟、着火和爆炸。因此，监测和保护电池电压、温度和电流数据非常重要。电池管理系统收集有关所有这些电池的信息，并在任何参数超出指定范围时阻止它们充电或放电。因此，必须考虑和分析导致电池故障和电池管理系统故障的潜在因素。

图1显示了BESS架构。TI用于储能系统的可堆叠电池管理单元参考设计展示了使用BQ79616 的可堆叠BMU (电池管理单元) 。该设计通过冗余数据测量来检测问题。同时，储能系统电池控制单元参考设计提出了带有开关的BCU(电池控制单元)，以确保系统安全。

图1：BESS架构

挑战2：高精度电池监控

准确的电池数据可确保安全并最大限度地利用能源。鉴于LiFePO4充放电曲线中存在较宽的平坦区域，电池电压的微小测量误差可能会导致剩余容量的较大误差。因此，准确测量电池电压和电池组电流对于准确估计充电状态非常重要。准确的充电状态信息是防止错误电池平衡的关键。过度充电和过度放电都会浪费电池的最大可用能量。

另一个重要的测量是温度。大多数电池起火、爆炸等事故都是由于电池热失控造成的。

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的低电池电压误差。对于住宅系统，您还可以使用BQ76952电池监视器。该产品在 -40°C 至 85°C 范围内实现了 ± 5mV的电池电压误差。多路复用器开关扩展了温度测量通道的数量，使您能够监控每个电池和电源总线连接器的温度。可堆叠电池参考设计提供了一个额外的温度通道来执行多路复用器开关诊断检查。

图2：可堆叠电池管理单元参考设计

还需要高精度且可靠的电流测量解决方案来执行ESS的充电状态监控。 BQ79731-Q1电压和电流传感器包括A/D位24用于电流检测的

挑战三：电芯和电池组的平衡能力

由于负载波动，电池组的电流消耗率并不总是均匀的。这些变化导致多个电池组之间的剩余能量不平衡，从而降低了整个ESS可用的最大能量。此外，新电池之间的不匹配或冷却要求的差异可能会导致电池之间的不平衡，甚至在电池组内也是如此。无源电池平衡拓扑会消耗电阻器中的电池能量，不建议用于电池组级平衡。被动电池平衡会消耗过多电量并导致电池组发热。

在产品的整个使用寿命期间，电池组不平衡现象会持续恶化。正如已经解释过的，ESS的使用寿命可以超过10年。在10年内，某些电池组可能会比其他电池组老化得更快，从而需要用户更换老化的电池组。如果没有强大的电池组级平衡电路，则必须有人对新电池组进行充电或放电，使其能量与ESS中的剩余电池组大致相等。此类工作难度大、成本高且劳动强度大，因此存在风险因素。

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，范围从280Ah到314Ah，甚至560Ah ，以优化ESS的单位能量成本(美元/千瓦时)。具有较大容量电池的电池组需要更高的有效平衡电流，以确保电池组中的所有电池持续提供相同量的能量。

有多种方法可以平衡多个包。图3显示了用于储能系统的双向CLLLC谐振转换器参考设计，该设计通过单个双向隔离式DC/DC转换器从高压总线对多个电池组进行充电和放电。通过控制充电和放电电流，隔离式DC/DC转换器可以平衡多个电池组，并使剩余容量或电池组电压相互均衡。由于充电和放电电流均经过该双向DC/DC转换器，因此整体效率较低，并且双向DC/DC转换器具有较高的额定功率。