有助于强化电网的电池管理技术

电池系统中的半导体创新正在推动储能技术的应用 

要点

Ÿ 电网在设计之初没有考虑到新的电力需求和供应类型。

Ÿ 电池储能系统是改造和保护电网的关键。

Ÿ 电池管理和高压半导体方面的创新有助于电网充分利用电池储能。

随着电动汽车 (EV) 的日益普及以及向更多可再生能源的过渡，我们一个多世纪以来对化石燃料的依赖正在降低。越来越多的电力公司转而使用太阳能电池板和风力涡轮机（而不是天然气涡轮机）发电，从而为电动汽车充电，并为我们的家庭和企业供电。这些趋势使我们距离可持续能源的未来又近了一步。

这些趋势也给电网带来了巨大挑战。一天中不同的时段有不同的需求，可使用的太阳能和风能也会随着天气的变化而变化。因此，电池成为电网的重要组成部分。

“电池可以在阴天和风力减弱时填补缺口。”弗吉尼亚理工大学教授 Richard Zhang 表示，他在该校从事电力电子技术课程的教学工作，并在电网和能源行业工作了 25 年，“电池可以在非高峰时段充电，在高峰时段供电，如为电动汽车充电，因此提高了电力的经济性。”

让电池安全、可靠且以具有成本效益的方式存储和释放电网中的大量电力是一项复杂的挑战。德州仪器在提供先进电池管理半导体解决方案方面的专业技术可以大显身手。

“电网中使用的电池体积更大、电压更高，因此需要更好的热管理和更精密的监测。”德州仪器电池管理解决方案业务部副总裁兼总经理 Samuel Wong 表示，“要有效管理这些电池，需要了解电池化学特性，并采用高性能半导体器件，安全充分地利用每块电池。”

解决电网难题

Richard 表示，采用太阳能和风能发电以及电动汽车，对地球来说是个好消息。问题是，电网在设计之初，没有考虑到电力对可用能源的这些新的需求类型。

“如今，让人们选择电动汽车比几年前容易多了。”他表示，“现在越来越大的问题是让电力基础设施能够处理电动汽车以及其他能源需求。”

Samuel 认为挑战在于电网的不稳定性，换句话说，就是发电量和用电量的波动。太阳能和风能发电会造成能源供应的变化，尤其是夜间，太阳能发电完全不可能。电动汽车车主的充电习惯也可能导致供需波动。

“如果每个人晚上回家都给电动汽车充电一整夜，电网可能无法承受。”他表示。

图 1：德州仪器电池管理解决方案业务部副总裁 Samuel Wong（左）与弗吉尼亚理工大学的 Richard Zhang 讨论电池储能系统的影响。

Samuel 和 Richard 与大多数电力专家一样，都认同针对电网不稳定的解决方案：储能系统 (ESS)。储能系统通常以电池的形式存在，可以在供应量大、需求量小时捕捉并储存电网中多余的电能，然后在其他时间提供电能。您可能会想到电动汽车中使用的相对较小、较轻的电池电芯。但对于电网来说，储能系统是由更大、更重的电芯堆叠成火车车厢形状，每个电池组的工作电压可高达 4 兆瓦时 (MWh)，足以为数千个家庭供电。

在电网的不同地点设置储能系统可以优化其配电能力，即随时随地将大量电力分配到各个社区。这可能意味着，将 储能系统放在太阳能电池板发电场旁，白天它可以吸收多余的电能，然后在晚上将电能泵回至电网。或者将 ESS 放置在社区内，可以更方便地从当地屋顶太阳能电池板获取电能，然后在需要时提供额外的电力为附近的电动汽车充电。“储能系统可以充当社区的本地能源库。”Samuel 表示。

管理电池和系统性能

储能系统的核心是高压电池模块，通常是磷酸铁锂电池。如果充电或放电过快，就会产生大量热量。如果过于频繁地完全耗尽，这些模块的寿命也会缩短。

Samuel 表示，监测这些电池的温度和电量需要极其精密的半导体，如 BQ79616 工业电池监测器。这是因为，即使是温度和电压的微小波动，都可能表示需要关注电池情况。

“必须达到毫伏级的精度，才能知道电池还剩多少电量，”他说。

事实证明，德州仪器在超精密电池监测器方面拥有的丰富经验，对于帮助储能行业生产为电网提供重要电池管理数据的系统至关重要。Samuel 指出，这些成果会对电网储能系统的成本效益产生重大影响。

“如果您只能以 5% 的精度测量 10MWh 储能系统的电量，那么您就无法安全地使用超过 9.5MWh 的电量。”他说，“德州仪器的电池监测器可以将测量精度提高到 1%，这样您就可以使用 9.9MWh 的电量。”

除了精确的电池监测外，电网规模的储能系统（例如与太阳能电池板发电场集成的储能系统）还需要高效的高压功率转换技术，用于帮助减少电网输配电的功率损耗。这些系统还依赖于传感和隔离技术，以帮助维持系统的安全性和稳定性，这对于管理高达 1500V 的电力流至关重要。

对未来的影响

在可预见的未来，电池储能系统的创新将发挥关键作用，在太阳能、风能以及电动汽车充电带来的变化中改变和保护电网。

“通过储能领域的创新来强化电网，这的确令人振奋。”Samuel 说。“德州仪器今天已经取得了很大的成果，并将随着未来智能电网的建设再创辉煌。”