電池儲能系統(tǒng)的三大設(shè)計挑戰(zhàn)

時間：2024-09-17 19:51:34

關(guān)鍵字：電池儲能 BESS

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[導(dǎo)讀]太陽能和風(fēng)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(gòu)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(jié)果，消費(fèi)者為每瓦電支付更多費(fèi)用。

太陽能和風(fēng)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(gòu)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(jié)果，消費(fèi)者為每瓦電支付更多費(fèi)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(yīng)用在白天存儲來自太陽能和風(fēng)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(shè)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(qiáng)大的平衡能力。讓我們仔細(xì)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(nèi)保持電池安全。通常，該壽命超過10年。 BESS應(yīng)用通常使用鋰離子(Li-ion)電池，尤其是磷酸鐵鋰(LiFePO 4)電池。

當(dāng)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(hù)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(guān)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(dǎo)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(gòu)。TI用于儲能系統(tǒng)的可堆疊電池管理單元參考設(shè)計展示了使用BQ79616 的可堆疊BMU (電池管理單元) 。該設(shè)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(shè)計提出了帶有開關(guān) 的BCU(電池控制單元)，以確保系統(tǒng)安全。

圖1：BESS架構(gòu)

挑戰(zhàn)2：高精度電池監(jiān)控

準(zhǔn)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(dǎo)致剩余容量的較大誤差。因此，準(zhǔn)確測量電池電壓和電池組電流對于準(zhǔn)確估計充電狀態(tài)非常重要。準(zhǔn)確的充電狀態(tài)信息是防止錯誤電池平衡的關(guān)鍵。過度充電和過度放電都會浪費(fèi)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?zé)崾Э卦斐傻摹?

圖2顯示了TI的可堆疊電池管理單元參考設(shè)計。該設(shè)計使用BQ79616電池監(jiān)視器，在–20 °C 至65 °C 范圍內(nèi)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(chǎn)品在 -40°C 至 85°C 范圍內(nèi)實現(xiàn)了 ± 5mV的電池電壓誤差。多路復(fù)用器開關(guān)擴(kuò)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(shè)計提供了一個額外的溫度通道來執(zhí)行多路復(fù)用器開關(guān)診斷檢查。

圖2：可堆疊電池管理單元參考設(shè)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(fù)載波動，電池組的電流消耗率并不總是均勻的。這些變化導(dǎo)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(dǎo)致電池之間的不平衡，甚至在電池組內(nèi)也是如此。無源電池平衡拓?fù)鋾碾娮杵髦械碾姵啬芰浚唤ㄗh用于電池組級平衡。被動電池平衡會消耗過多電量并導(dǎo)致電池組發(fā)熱。

在產(chǎn)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(jīng)解釋過的，ESS的使用壽命可以超過10年。在10年內(nèi)，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(qiáng)大的電池組級平衡電路，則必須有人對新電池組進(jìn)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(qiáng)度大，因此存在風(fēng)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(zhuǎn)換器參考設(shè)計，該設(shè)計?通過單個雙向隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器從高壓總線對多個電池組進(jìn)行充電和放電。通過控制充電和放電電流，隔離式DC/DC轉(zhuǎn)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(jīng)過該雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器，因此整體效率較低，并且雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器具有較高的額定功率。