給你的儲能系統(tǒng)號號脈

儲能系統(tǒng)在提高電網(wǎng)穩(wěn)定性，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，提高能源效率，節(jié)省能源成本等方面都可以發(fā)揮關(guān)鍵作用，從而促進(jìn)可再生能源的發(fā)展。

電池是儲能系統(tǒng)的核心，而電池監(jiān)測系統(tǒng)則是保障其正常運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。二者的關(guān)系就好像醫(yī)生與病人，電池檢測相當(dāng)于中醫(yī)號脈問診過程，通過測量出電池系統(tǒng)的電壓、電流、溫度等詳細(xì)數(shù)值，并結(jié)合其詳細(xì)的運(yùn)行和過往運(yùn)行狀態(tài)等綜合考量，才能拿到 SOC（state of charge 荷電狀態(tài)）、SOH（state of health 健康狀態(tài)）等電池的詳細(xì)指標(biāo)，保證電池在最健康的狀態(tài)下工作，并確保電芯不會因?yàn)殡妷?、溫度和電流超過額定值而出現(xiàn)安全意外。

對于整個(gè) BMS（電池管理系統(tǒng)）而言，背后的那名“老中醫(yī)”正是其中的 AFE 芯片，負(fù)責(zé)為電池監(jiān)測、均衡和保護(hù)“號脈”。

儲能系統(tǒng)與電動汽車在 BMS 上的共性與個(gè)性

儲能 BMS 和電動汽車的原理相似，目標(biāo)一致，即確保整個(gè)系統(tǒng)的安全可靠性、高效性、并網(wǎng)友好性以及開發(fā)敏捷性，但兩者也略有不同。

儲能系統(tǒng)的電池更加龐大復(fù)雜，因此與汽車 BMS 的需求并不完全相同。如今大型儲能柜單個(gè)集裝箱功率可超過一萬度。相比于電動汽車數(shù)十度電而言，一個(gè)儲能柜等于堆疊了一百多輛電動汽車。

首先，電池?cái)?shù)量的增多，使系統(tǒng)變得愈發(fā)復(fù)雜，每個(gè)電池都需要精確監(jiān)控以確定充電狀態(tài)估計(jì)，識別保護(hù)措施，以檢測維護(hù)或故障情況。同時(shí)，不僅單電池需要測量和管理，包括電芯間，甚至電池簇間都需要彼此關(guān)聯(lián)，這使得管理變得格外繁瑣。

其次，儲能與電動汽車在使用環(huán)境上有所差異，相比于汽車環(huán)境更加惡劣，需要更多考慮溫度、濕度、海拔、鹽霧等嚴(yán)苛要求。

第三，在高壓母線以及系統(tǒng)供電方面，儲能系統(tǒng)與汽車 BMS 也不完全相同，比如動力電池是 800V 母線，儲能系統(tǒng)則能達(dá)到 1500V。另外，電流、熱管理、控制等方面的應(yīng)用要求均有所不同。

明星產(chǎn)品 BQ79616——儲能系統(tǒng)的智慧核心

德州儀器針對儲能系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一款集監(jiān)控、均衡和集成保護(hù)功能多合一的芯片——BQ79616。這款芯片廣泛應(yīng)用于家庭儲能、工商業(yè)儲能以及 1500V 的電站儲能等各種系統(tǒng)中。它能夠提供精確的單體電池狀態(tài)，并且支持電芯間的平衡，從而最大化利用電池的可用剩余容量，并保證系統(tǒng)可靠性。

BQ79616 可以在 BMS 中實(shí)現(xiàn)對 16 節(jié)串聯(lián)電池模塊的高精度電芯電壓測量，而且僅需不到 200μs 的時(shí)間就能完成。該監(jiān)測器還提供了在同一封裝類型中的不同通道數(shù)量產(chǎn)品的選項(xiàng)，同時(shí)保持了互相之間引腳對引腳的兼容性，使得它可以在任何平臺上高度重復(fù)使用既有的軟件和硬件。借助集成式前端濾波器，我們可以在電池輸入通道上使用簡單、低額定電壓的差分 RC 濾波器來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)。同時(shí)，集成了 ADC 與低通濾波器之后，可以對經(jīng)過濾波后類似于直流電的電壓進(jìn)行測量，以便更好地計(jì)算 SOC。此器件還支持自主內(nèi)部電芯均衡，并通過監(jiān)測溫度來自動暫停和恢復(fù)均衡，以防止出現(xiàn)過熱條件。

通信功能是 BMU 系統(tǒng)最大的難點(diǎn)之一。德州儀器采用了菊花鏈通信方式，這種方式節(jié)約了 MCU（微控制器）、通信接口等相關(guān)芯片，從而降低了成本和尺寸。另外值得一提的是，菊花鏈通信方式可采用雙絞線連接，進(jìn)一步節(jié)約了線纜成本。最后，菊花鏈通信是隔離式雙向端口，因此可以執(zhí)行更好的安全冗余。即使在通信線路中斷的情況下，菊花鏈通信接口也可以配置為環(huán)形架構(gòu)，允許主機(jī)與堆棧兩端的設(shè)備通信。而針對遠(yuǎn)距離傳輸，德州儀器也提供了 CAN 通信的支持。

采用菊花鏈通信的 BMS 示意框圖

更精確的 BQ79718——為磷酸鐵鋰電池保駕護(hù)航

精確性是 BMS 的核心要素之一，通過為電池準(zhǔn)確號脈，才可以判斷出電池一切信息，從而提高電池利用率，保護(hù)電池充放電安全，在提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性和高效性方面具有重要意義。

特別是如今，隨著磷酸鐵鋰電池在儲能領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，其充電和放電曲線的特性是更寬且更平坦，微小的電池電壓測量誤差可能會導(dǎo)致巨大的剩余容量誤差，因此準(zhǔn)確的電池電壓和電池組電流測量對于準(zhǔn)確的充電狀態(tài)估計(jì)非常重要。準(zhǔn)確的充電狀態(tài)信息是避免電池錯誤平衡的關(guān)鍵，尤其是過度充電和過度放電可能會破壞電池的健康。

電池放電曲線對比，紅色為三元鋰電池，藍(lán)色為磷酸鐵鋰電池

另一個(gè)重要的測量指標(biāo)是溫度。大多數(shù)電池起火、爆炸事故都是由電池?zé)崾Э匾鸬摹?/p>

德州儀器的 BQ79718-Q1 在 -20℃ 到 65℃ 之間可以達(dá)到 ±1mV 的精度，因此可以成為磷酸鐵鋰電池的更佳選擇。

為系統(tǒng)增添更多的創(chuàng)新

BMS 的創(chuàng)新可以為儲能系統(tǒng)帶來諸多創(chuàng)新，包括提高參數(shù)精度、優(yōu)化通信可靠性、增加電池串?dāng)?shù)等方面的不斷進(jìn)步，將會讓儲能系統(tǒng)更加符合“兩高一低”的發(fā)展方向，即高可靠、高性能和低成本。

另外，無線 BMS 也是一個(gè)發(fā)展思路，可以從底層解決電池串間的通信問題，從而進(jìn)一步提高可擴(kuò)展性并降低線束約束。

總而言之，芯片層面的持續(xù)創(chuàng)新會給系統(tǒng)和應(yīng)用帶來更多的創(chuàng)新點(diǎn)。隨著可再生能源系統(tǒng)的不斷擴(kuò)大，儲能系統(tǒng)需求不斷增長，德州儀器正在通過創(chuàng)新的模擬和嵌入式產(chǎn)品，推動儲能系統(tǒng)的成本和效率優(yōu)化。