有助于強(qiáng)化電網(wǎng)的電池管理技術(shù)

要點(diǎn)

?   電網(wǎng)在設(shè)計(jì)之初沒有考慮到新的電力需求和供應(yīng)類型。

?   電池儲(chǔ)能系統(tǒng)是改造和保護(hù)電網(wǎng)的關(guān)鍵。

?   電池管理和高壓半導(dǎo)體方面的創(chuàng)新有助于電網(wǎng)充分利用電池儲(chǔ)能。

隨著電動(dòng)汽車 (EV) 的日益普及以及向更多可再生能源的過渡，我們一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)對(duì)化石燃料的依賴正在降低。越來(lái)越多的電力公司轉(zhuǎn)而使用太陽(yáng)能電池板和風(fēng)力渦輪機(jī)（而不是天然氣渦輪機(jī)）發(fā)電，從而為電動(dòng)汽車充電，并為我們的家庭和企業(yè)供電。這些趨勢(shì)使我們距離可持續(xù)能源的未來(lái)又近了一步。

這些趨勢(shì)也給電網(wǎng)帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。一天中不同的時(shí)段有不同的需求，可使用的太陽(yáng)能和風(fēng)能也會(huì)隨著天氣的變化而變化。因此，電池成為電網(wǎng)的重要組成部分。

“電池可以在陰天和風(fēng)力減弱時(shí)填補(bǔ)缺口?！备ゼ醽喞砉ご髮W(xué)教授 Richard Zhang 表示，他在該校從事電力電子技術(shù)課程的教學(xué)工作，并在電網(wǎng)和能源行業(yè)工作了 25 年，“電池可以在非高峰時(shí)段充電，在高峰時(shí)段供電，如為電動(dòng)汽車充電，因此提高了電力的經(jīng)濟(jì)性。”

讓電池安全、可靠且以具有成本效益的方式存儲(chǔ)和釋放電網(wǎng)中的大量電力是一項(xiàng)復(fù)雜的挑戰(zhàn)。德州儀器在提供先進(jìn)電池管理半導(dǎo)體解決方案方面的專業(yè)技術(shù)可以大顯身手。

“電網(wǎng)中使用的電池體積更大、電壓更高，因此需要更好的熱管理和更精密的監(jiān)測(cè)。”德州儀器電池管理解決方案業(yè)務(wù)部副總裁兼總經(jīng)理 Samuel Wong 表示，“要有效管理這些電池，需要了解電池化學(xué)特性，并采用高性能半導(dǎo)體器件，安全充分地利用每塊電池?！?/span>

解決電網(wǎng)難題

Richard 表示，采用太陽(yáng)能和風(fēng)能發(fā)電以及電動(dòng)汽車，對(duì)地球來(lái)說是個(gè)好消息。問題是，電網(wǎng)在設(shè)計(jì)之初，沒有考慮到電力對(duì)可用能源的這些新的需求類型。

“如今，讓人們選擇電動(dòng)汽車比幾年前容易多了?！彼硎荆艾F(xiàn)在越來(lái)越大的問題是讓電力基礎(chǔ)設(shè)施能夠處理電動(dòng)汽車以及其他能源需求?！?/span>

Samuel 認(rèn)為挑戰(zhàn)在于電網(wǎng)的不穩(wěn)定性，換句話說，就是發(fā)電量和用電量的波動(dòng)。太陽(yáng)能和風(fēng)能發(fā)電會(huì)造成能源供應(yīng)的變化，尤其是夜間，太陽(yáng)能發(fā)電完全不可能。電動(dòng)汽車車主的充電習(xí)慣也可能導(dǎo)致供需波動(dòng)。

“如果每個(gè)人晚上回家都給電動(dòng)汽車充電一整夜，電網(wǎng)可能無(wú)法承受。”他表示。

圖 1：德州儀器電池管理解決方案業(yè)務(wù)部副總裁 Samuel Wong（左）與弗吉尼亞理工大學(xué)的 Richard Zhang 討論電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的影響。

Samuel 和 Richard 與大多數(shù)電力專家一樣，都認(rèn)同針對(duì)電網(wǎng)不穩(wěn)定的解決方案：儲(chǔ)能系統(tǒng) (ESS)。儲(chǔ)能系統(tǒng)通常以電池的形式存在，可以在供應(yīng)量大、需求量小時(shí)捕捉并儲(chǔ)存電網(wǎng)中多余的電能，然后在其他時(shí)間提供電能。您可能會(huì)想到電動(dòng)汽車中使用的相對(duì)較小、較輕的電池電芯。但對(duì)于電網(wǎng)來(lái)說，儲(chǔ)能系統(tǒng)是由更大、更重的電芯堆疊成火車車廂形狀，每個(gè)電池組的工作電壓可高達(dá) 4 兆瓦時(shí) (MWh)，足以為數(shù)千個(gè)家庭供電。

在電網(wǎng)的不同地點(diǎn)設(shè)置儲(chǔ)能系統(tǒng)可以優(yōu)化其配電能力，即隨時(shí)隨地將大量電力分配到各個(gè)社區(qū)。這可能意味著，將 儲(chǔ)能系統(tǒng)放在太陽(yáng)能電池板發(fā)電場(chǎng)旁，白天它可以吸收多余的電能，然后在晚上將電能泵回至電網(wǎng)?；蛘?/span>將 ESS 放置在社區(qū)內(nèi)，可以更方便地從當(dāng)?shù)匚蓓斕?yáng)能電池板獲取電能，然后在需要時(shí)提供額外的電力為附近的電動(dòng)汽車充電?！皟?chǔ)能系統(tǒng)可以充當(dāng)社區(qū)的本地能源庫(kù)?！?/span>Samuel 表示。

管理電池和系統(tǒng)性能

儲(chǔ)能系統(tǒng)的核心是高壓電池模塊，通常是磷酸鐵鋰電池。如果充電或放電過快，就會(huì)產(chǎn)生大量熱量。如果過于頻繁地完全耗盡，這些模塊的壽命也會(huì)縮短。

Samuel 表示，監(jiān)測(cè)這些電池的溫度和電量需要極其精密的半導(dǎo)體，如 BQ79616 工業(yè)電池監(jiān)測(cè)器。這是因?yàn)椋词故菧囟群碗妷旱奈⑿〔▌?dòng)，都可能表示需要關(guān)注電池情況。

“必須達(dá)到毫伏級(jí)的精度，才能知道電池還剩多少電量，”他說。

事實(shí)證明，德州儀器在超精密電池監(jiān)測(cè)器方面擁有的豐富經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于幫助儲(chǔ)能行業(yè)生產(chǎn)為電網(wǎng)提供重要電池管理數(shù)據(jù)的系統(tǒng)至關(guān)重要。Samuel 指出，這些成果會(huì)對(duì)電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本效益產(chǎn)生重大影響。

“如果您只能以 5% 的精度測(cè)量 10MWh 儲(chǔ)能系統(tǒng)的電量，那么您就無(wú)法安全地使用超過 9.5MWh 的電量?！彼f，“德州儀器的電池監(jiān)測(cè)器可以將測(cè)量精度提高到 1%，這樣您就可以使用 9.9MWh 的電量。”

除了精確的電池監(jiān)測(cè)外，電網(wǎng)規(guī)模的儲(chǔ)能系統(tǒng)（例如與太陽(yáng)能電池板發(fā)電場(chǎng)集成的儲(chǔ)能系統(tǒng)）還需要高效的高壓功率轉(zhuǎn)換技術(shù)，用于幫助減少電網(wǎng)輸配電的功率損耗。這些系統(tǒng)還依賴于傳感和隔離技術(shù)，以幫助維持系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，這對(duì)于管理高達(dá) 1500V 的電力流至關(guān)重要。

對(duì)未來(lái)的影響

在可預(yù)見的未來(lái)，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的創(chuàng)新將發(fā)揮關(guān)鍵作用，在太陽(yáng)能、風(fēng)能以及電動(dòng)汽車充電帶來(lái)的變化中改變和保護(hù)電網(wǎng)。

“通過儲(chǔ)能領(lǐng)域的創(chuàng)新來(lái)強(qiáng)化電網(wǎng)，這的確令人振奮?！?/span>Samuel 說?！暗轮輧x器今天已經(jīng)取得了很大的成果，并將隨著未來(lái)智能電網(wǎng)的建設(shè)再創(chuàng)輝煌?！?/span>