電池儲能系統的應用與解決方案

ESS（儲能系統）在建設低碳世界中發揮著至關重要的作用，是目前最蓬勃的工業應用之一。其背后的原因包括各國脫碳目標主導的積極政策，還有在新能源應用快速發展過程中，對太陽能等可再生能源存儲和控制的需求，以及鋰離子電池成本的不斷降低。本文將為您介紹儲能系統的架構，以及安森美（onsemi）提供的產品和解決方案。

電池儲能系統可減輕電動汽車充電造成的電網壓力

ESS是一個已經被廣泛研究的應用，它以電化學存儲（電池）、機械存儲（壓縮空氣）、熱存儲（熔鹽）等方式來存儲能源。本文則將針對與太陽能逆變器系統連接的電池儲能系統作為重點介紹。

BESS（電池儲能系統）廣泛應用于住宅和商業領域。在住宅應用中，BESS可充當備用電源，防止意外斷電，并通過將電能從低值時段轉移到高值時段來節省成本。在涉及較大系統的商業應用中，BESS可以有效地存儲和管理太陽能逆變器產生的免費清潔能源，實現低碳排放。如今BESS的另一個關鍵屬性是它能夠減輕因電動汽車充電需求不斷增長而造成的電網壓力。

BESS由4部分組成，包括電池組、BMS（電池管理系統）、PCS（Power Conversion System，功率轉換系統）、EMS（Energy Management System，能源管理系統），不僅適用于商業類型，也適用于住宅類型。電池組由電芯組成，建立商業級系統，高壓模塊集成到機架或組中以獲得更高的容量。通常充電和放電電壓范圍為50 V至1100 V，取決于電池電壓和電路拓撲。BMS是管理可充電電池的電子系統，通過確保電池在SOA（安全操作區）下運行、監控運行狀態、計算和報告實時數據等來實現更長的使用壽命。PCS是電池組與電網和／或負載之間連接的電能雙向轉換的另一個重要子系統，它在很大程度上決定了系統成本、尺寸和性能。EMS則是一個基于軟件的計算機輔助工具系統，電力電網運營商使用它來監視、控制和優化發電或輸電系統的性能。

與IGBT相比，SiC器件在高壓大電流應用中具有更多優勢，例如可實現高頻開關。盡管IGBT仍然是BESS設計的首選，但考慮到不同的開關策略，在某些部分結合SiC器件可以產生卓越的性能。例如，在使用A-NPC的雙向逆變器中，由于專用開關策略需要內部開關的高開關頻率，因此可以在內部橋臂中選擇SiC器件以減少開關損耗，而其余開關仍然可以利用低VCE(SAT) IGBT以保持成本可控。

三電平配置可降低功率損耗

和電流紋波

三電平I-NPC和三電平ANPC是PCS中常見的雙向拓撲，以匹配不斷增加的輸出功率。與兩電平拓撲相比，三電平拓撲需要更多的元器件、驅動信號和更復雜的控制結構。但其優點是顯而易見的，即三電平配置的目標是通過減半的施加電壓來降低功率損耗和電流紋波，以及更好的EMI性能。

NXH800H120L7QDSG是安森美的新型QDual3 1200 V 800 A半橋IGBT功率模塊。集成的Field Stop Trench 7 IGBT和Gen.7二極管可提供更低的傳導損耗和開關損耗，使設計人員能夠實現高效率和卓越的可靠性。通過多個QDual3模塊并聯，可組成三級ANPC模塊，系統組輸出功率可達1.6MW - 1.8MW。

DESAT（去飽和）是大功率轉換中首選的重要保護之一。它可以通過盡快關斷開關來防止IGBT/MOSFET因短路而損壞。NCD57000集成了去飽和檢測功能，當VCESAT達到目標值時，內部STO（軟關斷）MOSFET被激活，對柵極電容進行放電，以減少高dV/dt引起的過壓應力和損耗。此外，該單通道柵極驅動器具有高拉電流／灌電流（4 A/6 A）、5 kVrms電流隔離，以及UVLO、有源米勒鉗位等其他保護功能。

以下將為您介紹一些安森美在電池儲能系統應用中的一些重要產品。首先，通常輔助電源是基于使用初級側調節的QR（準諧振）反激式控制器的反激式拓撲來設計的。NCP1362是一款用于低功耗離線SMPS的初級側PWM控制器。采用NCP1362的最大優點是不需要光耦反饋，提高了供電的可靠性。此外，它還能在低VDS時關閉開關，以提高效率并節省熱量。NCP1362是一款初級側QR反激式控制器，無需次級反饋電路，可執行谷值鎖定QR峰值電流模式控制，具有優化的輕載效率和待機性能。

分布式儲能系統可能由數百臺PCS和控制單元組成。現代指揮中心必須采用更復雜的連接解決方案，以滿足不斷增長的節點和計算需求。安森美的NCN26010是市場上首批符合802.3cg標準的控制器之一。它提供了良好的抗噪性，超過了IEEE 802.3cg中的抗噪水平，可實現50米以上的范圍，且可減少多達70%的電纜數量，安裝成本降低多達80%，可降低軟件維護成本。

EliteSiC 1200 V MOSFET是新系列的1200 V M3S 平面SiC MOSFET，針對高溫操作進行了優化，改進了高頻操作的寄生電容，在VGS=18 V時RDS(ON)=22 mΩ，超低柵極電荷(QG(TOT))=137 nC，具有高速開關、低電容 (COSS=146 pF)，采用開爾文源的4引腳封裝。

Field Stop VII 1200 V IGBT是新系列的1200 V Trench Field Stop VII IGBT，具有溝槽狹窄臺面和質子植入多重緩沖器，可提供快速開關型和低VCE(SAT)型，改進了高頻操作的寄生電容，具有通用封裝，目標應用為能源基礎設施、工廠自動化。

Field Stop VII IGBT PIM NXH800H120L7QDSG 則具有高效率和可控性的Field Stop Trench 7 IGBT 和 Gen.7 二極管，支持 1200 V、800 A 2 合 1 半橋配置，與領先的競爭產品相比，功率密度高出 10%，能量損耗低10%，具有低熱阻、隔離基板與 NTC 熱敏電阻，可焊接引腳、壓接引腳 (根據要求)，具低電感布局。

選擇柵極驅動器所須遵循的重要因素

在選擇柵極驅動器時，首先要了解目前的驅動能力、故障檢測、抗擾度、傳播延遲、兼容性等因素。當然，并不是每一點都需要遵循。例如，與IGBT不同，SiC MOSFET的輸出特性更像是可變電阻，并且沒有飽和區，這意味著正常的去飽和檢測原理不起作用。作為解決方案之一，通常使用電流傳感器來檢測過電流，或者使用溫度傳感器來檢測異常溫度。

NCP51561是一款雙通道隔離柵極驅動器，具有4.5A / 9A的拉／灌峰值電流，典型傳播延遲為36 ns，最大延遲匹配為5 ns，可通過ANB的單輸入或雙輸入模式，支持5 kV電流隔離，CMTI ≥ 200 kV/μs，采用SOIC-16WB封裝，爬電距離為8mm。

NCD57080 / NCD57090則是單通道隔離柵極驅動器，具有6.5A拉／灌峰值電流，提供分離輸出有源米勒鉗位或負偏置版本，支持3.3V、5V和15V邏輯輸入，以及3.5 kV電流隔離，CMTI ≥ 100 kV/μs，NCD57080采用SOIC-8封裝，爬電距離為4mm，NCD57090采用SOIC-8WB封裝，爬電距離為8mm。

NCD57100是單通道隔離柵極驅動器，具有7A拉／灌峰值電流，以及UVLO和DESAT保護，支持寬偏置電壓范圍，包括負VEE，具有3.3V、5V和15V邏輯輸入，支持3.5 kV電流隔離，CMTI ≥ 100 kV/μs，采用SOIC-16WB封裝，爬電距離為8mm。

常見的雙向AC-DC拓撲需求

在雙向AC-DC中的常見拓撲中，三相全橋轉換器具有電路簡單、控制方便、元器件少的各特色，開關需要承受完整的總線電壓和尖峰，需要大容量變壓器，增加成本和終端系統尺寸，優先選擇寬帶隙元器件以減小THD、電感器尺寸。

單相／三相圖騰柱轉換器可提高效率、EMI、THD，并減少每個周期進行的開關數量，開關數量少，功率密度高，但需要寬帶隙元器件來減少恢復損耗，具有零交叉點噪聲、共模噪聲的特性。

三相三電平轉換器則采用三級配置，可降低某些開關上的THD和電壓應力，擁有更多柵極驅動器和更復雜的控制，效率更高，成本更高，是太陽能逆變器設計中經過驗證的配置。

雙向DC-DC中的常見拓撲則有降壓-升壓轉換器，可擴大充電／放電電壓范圍以提高電池利用率，充放電時可實現雙向電能轉換，元器件少且易于控制，可根據電池電壓進行選擇。

雙有源橋式轉換器則可運行相移調制以在高負載下實現ZVS，兩級電流不匹配會造成意外的損失，為達到預期效率而進行的相移、變壓器、頻率等復雜設計，在此類高頻／高壓操作中，寬帶隙元器件是首選，可減少輸出電流紋波，從而減小輸出電容器的尺寸，這在高功率情況下是首選，支持隔離轉換以確保安全。

CLLC諧振轉換器可通過增加1個電容，實現基于LLC的雙向轉換，可通過復雜的頻率調制和無源選擇以實現雙向高效率，需要額外的DC-DC轉換才能達到寬輸出范圍，以確保良好的效率，在整個負載范圍內比DAB具有更好的效率，支持隔離轉換以確保安全。

安森美擁有完整的電池儲能系統相關產品線，包括雙向AC-DC與雙向DC-DC、隔離柵極驅動器、電源管理、信號條件與控制、邏輯與記憶、界面等產品，將可滿足客戶一站購足的需求。

結語

電池儲能系統在現代能源結構中扮演著至關重要的角色，它們不僅能有效提升可再生能源的利用效率，還能為電網穩定性和用電靈活性提供可靠支持。隨著技術的不斷創新，儲能系統的安全性、壽命和成本效益都在持續改善，推動其在家庭、商業、工業以及大型電力基礎設施中的廣泛應用。安森美提供了設計電池儲能系統所需的完整產品線，將能夠加速相關應用產品的設計速度，搶占市場先機。