2022年，在政策支持和市场需求的双重刺激下，储能突然成为最热门的行业之一，本质上是可再生能源装机容量的上升。与能够主动控制发电的机组不同，可再生能源的发电受自然环境的影响，不确定性强，甚至不能与电网兼容。因此，需要支持储能系统来解决消耗、峰值调整、频率调整、稳定电网等问题。

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根据国家能源局的数据，2016-2021年，中国的平均弃风率和弃光率分别从17.0%和10.3%降至3.1%和2.0%。除了电网运营优化和技术进步，储能的发展也是不可或缺的。此外，中国科学院电气研究所储能技术研究小组组长陈永冲近日表示，虽然中国储能装机规模居世界第一，但储能与风电光伏新能源装机规模的比例（以下简称"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长，我国储新比仍有很大的增长空间。

在储能技术方面，虽然抽水储能占据了绝对主导的市场，但这项有数百年历史的技术正在允许使用电池作为缓冲存储介质的电化学储能（以下简称BESS），后者不受自然条件的限制，具有响应快、部署灵活的特点，完全符合可再生能源容量小、布局分散、数量多的特点，可在家庭、工商、网络侧实现灵活部署。根据中国化工物理电力行业协会储能应用分会发布的《2022储能行业应用研究报告》统计，2021年中国新增储能项目146个，电化学储能项目131个，其中锂离子电池储能项目120个。与此同时，除了大型项目，更多以工商、户用为代表的小微储能站正在多点开花。

虽然从长远来看，BESS发展是大势所趋，但现阶段成本、安全、使用寿命、环保等问题仍在一定程度上阻碍了行业，技术发展成为一个非常重要的因素。BESS简而言之，直流和交流之间的电力转换、电池充放电和整个工业系统的控制过程自然与电力和电子技术不可分割，以确保储能系统的安全和效率。所以，一般来说，典型的BESS包括以下部分：PCS（power conversionsystem，负责电池直流链路与逆变器交流母线(即电池与电网)之间的功率转换，BMS(电池管理系统)负责监控电池的关键信息和EMS(能源管理系统)负责整个系统的操作和控制。

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，以及如何克服挑战。德州仪器是电力电子的主要供应商之一（TI）对电池管理和工业控制有几十年的相关技术积累，TI也有丰富的产品和系统经验，可以为整个产品提供服务ESS本文选取了系统构建完整的信号和能量传输链路TI几款有代表性的产品和方案。

双向功率转换系统

在过去没有配套储能的时代，可再生能源的电流往往是单向直接传输到电网侧的。在此架构下添加储能系统，显然双向系统优于两个单向系统。因此，储能侧需要增加双向DC/DC同时充放电管理AC/DC侧面也需要改为双向架构，集成PFC（power factor correction，校正功率因数)和逆变器。这种更灵活的双向结构有助于在电价便宜或发电量大的情况下实现更好的削峰填谷，并在需要时及时释放电能。

一般来说，这种双向架构意味着两个独立的转换系统，包括功率、控制、保护等，带来了更高的系统成本、更复杂的布局布线和更大的体积。

双向PFC与逆变级

由于拓扑结构中的功率器件基本相同，可以将两者结合起来，实现系统的高效和小尺寸。其中双向DC/DC功率级是专门为储能逆变器设计的，双向DC/DC 常见的功率级拓扑是CLLLC和DAB。对于离网/并网双向逆变器/PFC 就功率级而言，不需要特殊的拓扑来实现，因为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 可实现双向转换。

这些复杂的拓扑给电源的转换和控制带来了许多挑战。同时，对于大功率逆变器，可能会有几个并联，因此需要与电网同步。

同时，为了实现更高的转换效率和储能密度，储能系统越来越引入宽带半导体作为其功率设备，与传统硅设备相比，宽带半导体可以实现更高的开关频率，从而提高转换效率，降低尺寸，但从驱动设计到布局布线，EMI、热管理带来了挑战。

效率、体积和成本很重要，但可靠性和安全性总是第一位的。例如，对于并网的双向逆变器，需要具有检测和隔离功能。当电网出现故障（如停电、断电、过压等）时，应及时断开。

就像上述挑战一样，无论什么样的电源拓扑，设计都不容易。因此，最好的方案是选择一套优化的参考设计方案和一站式供应商。TI为满足各种功率转换系统的需要，提供了多种拓扑参考方案。

TIDA-010210参考设计

以TI的基于GaN 的11kW 双向三相ANPC 参考设计TIDA-以010210为例，提供了基于氮化镓的参考设计(GaN) 三电平三相ANPC 逆变器功率级设计模板。使用快速开关功率器件可实现1000kHz 更高的开关频率不仅降低了滤波器磁性元件的尺寸，而且提高了功率级的功率密度。多级拓扑允许高达1000V 额定电压为600V 在其他拓扑中无法实现的功率器件。同时，较低的开关电压应力可以降低开关损耗，使峰值效率达到98.5%，提高系统的可靠性。

该方案集成TI包括明星产品，包括C2000 32位MCU、集成驱动、保护和温度报告GaN FET、电源产品，如栅极驱动器、开关转换器等，以及数字隔离器、放大器等信号链产品。

低压开关设备可以通过多级拓扑使用，但也意味着需要驱动更多的开关，即使在异常运行过程中也需要避免过压。本参考设计TI仅用一颗C2000就在有限的PWM通过集成控制18个功率元件CLB实现基于硬件的连锁保护，无需外部使用FPGA或CPLD。而且只有软件控制才能实现换向功能。

高可靠电池管理系统

类似于功率转换系统，电池管理系统首先要保证足够的安全性和可靠性，其次要优化效率、体积和成本BMS是保证电池安全最重要的系统。

典型的储能BMS系统大致可为系统BMU、BDU以及BCU，其中BMU单独收集电池信息，BDU管理电池簇，BCU负责整体控制和通信。

由于电池管理系统更注重电池充放电管理，需要详细收集各种信息，包括电池信息存储、采集、平衡控制、充放电管理等。因此，它具有高性能AFE实现高水平BMS关键是要解决客户在准确性、鲁棒性、安全性和系统成本方面的痛点。

BQ7961x简化系统框图

TI的BQ7961x一系列精密电池监控器、平衡器和集成硬件保护器是满足储能客户需求的产品AFE。首先，在精度方面，可以实现2mV电压采样精度和电流采样精度小于0.3%，16位ADC16串电池的扫描时间仅为128μS，并集成数字滤波，帮助客户实现更高精度的电池SoC和SoH从而更好地管理电池。在可靠性方面，TI增强引脚的耐压性，能承受80度V电压。由于储能系统内部EMC干扰强，可能进入异常状态，需要上电重启。BQ79616内部提供硬件复位，更稳定耐用。更重要的是，更重要的是，TI的BQ7961x该系列采用隔离菊花链通信，可实现双向通信和双向唤醒。当某个节点损坏时，仍可实现通信。在电池簇管理中，还采用菊花链连接霍尔传感器、保险丝、风扇、继电器等监控。

安全方面，BQ7961x-Q1符合ASIL-D车辆规级安全，能完全满足储能系统的安全要求。提供双重ADC冗余采样可以监测和保护电压、电流、温度和通信状态，并具有自我诊断功能，比软件检测更准确、更高效。

TI通过高级集成，降低系统的开发门槛和成本。BQ7961x系列集成了内部平衡MOSFET，最高支持250mA另外，电流可以自动平衡电池。BQ7961x该系列提供了丰富的产品类型，在引脚兼容的情况下支持不同的电池串数，从而根据实际需要优化成本。

迎接储能市场的新机遇

在我国新能源和电力系统改革坚定不移发展的背景下，储能是电力电子产业崛起的新星。无论是产品、商业形式还是自身的科技内容，都在快速变化和发展。在未来，甚至每辆车都可以成为一个移动储能站。在不断变化的过程中，选择经过大量市场验证、灵活可靠、一站式交付的供应商是确保产品开发和大规模生产的重要保证。

促进可再生能源发展，建设更环保的电网TI包括储能产业在内的帮助中国能源产业发展的初衷。TI通过广泛的模拟和嵌入式处理产品、丰富的参考设计、强大而全面的本地支持，包括本地研发、本地销售和应用团队以及完全本地化TI.com.cn，为了满足未来能源创新的需要，帮助储能行业实现高可靠性、高效率、小尺寸、高性价比。