電池儲能系統(tǒng)的應(yīng)用與解決方案

ESS（儲能系統(tǒng)）在建設(shè)低碳世界中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，是目前最蓬勃的工業(yè)應(yīng)用之一。其背后的原因包括各國脫碳目標(biāo)主導(dǎo)的積極政策，還有在新能源應(yīng)用快速發(fā)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(tǒng)的架構(gòu)，以及安森美（onsemi）提供的產(chǎn)品和解決方案。

電池儲能系統(tǒng)可減輕電動汽車充電造成的電網(wǎng)壓力

ESS是一個已經(jīng)被廣泛研究的應(yīng)用，它以電化學(xué)存儲（電池）、機(jī)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(tǒng)連接的電池儲能系統(tǒng)作為重點介紹。

BESS（電池儲能系統(tǒng)）廣泛應(yīng)用于住宅和商業(yè)領(lǐng)域。在住宅應(yīng)用中，BESS可充當(dāng)備用電源，防止意外斷電，并通過將電能從低值時段轉(zhuǎn)移到高值時段來節(jié)省成本。在涉及較大系統(tǒng)的商業(yè)應(yīng)用中，BESS可以有效地存儲和管理太陽能逆變器產(chǎn)生的免費(fèi)清潔能源，實現(xiàn)低碳排放。如今BESS的另一個關(guān)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(wǎng)壓力。

BESS由4部分組成，包括電池組、BMS（電池管理系統(tǒng)）、PCS（Power Conversion System，功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)）、EMS（Energy Management System，能源管理系統(tǒng)），不僅適用于商業(yè)類型，也適用于住宅類型。電池組由電芯組成，建立商業(yè)級系統(tǒng)，高壓模塊集成到機(jī)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?fù)?。BMS是管理可充電電池的電子系統(tǒng)，通過確保電池在SOA（安全操作區(qū)）下運(yùn)行、監(jiān)控運(yùn)行狀態(tài)、計算和報告實時數(shù)據(jù)等來實現(xiàn)更長的使用壽命。PCS是電池組與電網(wǎng)和／或負(fù)載之間連接的電能雙向轉(zhuǎn)換的另一個重要子系統(tǒng)，它在很大程度上決定了系統(tǒng)成本、尺寸和性能。EMS則是一個基于軟件的計算機(jī)輔助工具系統(tǒng)，電力電網(wǎng)運(yùn)營商使用它來監(jiān)視、控制和優(yōu)化發(fā)電或輸電系統(tǒng)的性能。

與IGBT相比，SiC器件在高壓大電流應(yīng)用中具有更多優(yōu)勢，例如可實現(xiàn)高頻開關(guān)。盡管IGBT仍然是BESS設(shè)計的首選，但考慮到不同的開關(guān)策略，在某些部分結(jié)合SiC器件可以產(chǎn)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(guān)策略需要內(nèi)部開關(guān)的高開關(guān)頻率，因此可以在內(nèi)部橋臂中選擇SiC器件以減少開關(guān)損耗，而其余開關(guān)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?fù)?，以匹配不斷增加的輸出功率。與兩電平拓?fù)湎啾?，三電平拓?fù)湫枰嗟?a target="_blank">元器件、驅(qū)動信號和更復(fù)雜的控制結(jié)構(gòu)。但其優(yōu)點是顯而易見的，即三電平配置的目標(biāo)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(dǎo)損耗和開關(guān)損耗，使設(shè)計人員能夠?qū)崿F(xiàn)高效率和卓越的可靠性。通過多個QDual3模塊并聯(lián)，可組成三級ANPC模塊，系統(tǒng)組輸出功率可達(dá)1.6MW - 1.8MW。

DESAT（去飽和）是大功率轉(zhuǎn)換中首選的重要保護(hù)之一。它可以通過盡快關(guān)斷開關(guān)來防止IGBT/MOSFET因短路而損壞。NCD57000集成了去飽和檢測功能，當(dāng)VCESAT達(dá)到目標(biāo)值時，內(nèi)部STO（軟關(guān)斷）MOSFET被激活，對柵極電容進(jìn)行放電，以減少高dV/dt引起的過壓應(yīng)力和損耗。此外，該單通道柵極驅(qū)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(hù)功能。

以下將為您介紹一些安森美在電池儲能系統(tǒng)應(yīng)用中的一些重要產(chǎn)品。首先，通常輔助電源是基于使用初級側(cè)調(diào)節(jié)的QR（準(zhǔn)諧振）反激式控制器的反激式拓?fù)鋪碓O(shè)計的。NCP1362是一款用于低功耗離線SMPS的初級側(cè)PWM控制器。采用NCP1362的最大優(yōu)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(guān)閉開關(guān)，以提高效率并節(jié)省熱量。NCP1362是一款初級側(cè)QR反激式控制器，無需次級反饋電路，可執(zhí)行谷值鎖定QR峰值電流模式控制，具有優(yōu)化的輕載效率和待機(jī)性能。

分布式儲能系統(tǒng)可能由數(shù)百臺PCS和控制單元組成?，F(xiàn)代指揮中心必須采用更復(fù)雜的連接解決方案，以滿足不斷增長的節(jié)點和計算需求。安森美的NCN26010是市場上首批符合802.3cg標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)50米以上的范圍，且可減少多達(dá)70%的電纜數(shù)量，安裝成本降低多達(dá)80%，可降低軟件維護(hù)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(jìn)行了優(yōu)化，改進(jìn)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(guān)、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(zhì)子植入多重緩沖器，可提供快速開關(guān)型和低VCE(SAT)型，改進(jìn)了高頻操作的寄生電容，具有通用封裝，目標(biāo)應(yīng)用為能源基礎(chǔ)設(shè)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(lǐng)先的競爭產(chǎn)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(jù)要求)，具低電感布局。

選擇柵極驅(qū)動器所須遵循的重要因素

在選擇柵極驅(qū)動器時，首先要了解目前的驅(qū)動能力、故障檢測、抗擾度、傳播延遲、兼容性等因素。當(dāng)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(qū)，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(qū)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(qū)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(fù)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(qū)動器，具有7A拉／灌峰值電流，以及UVLO和DESAT保護(hù)，支持寬偏置電壓范圍，包括負(fù)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?fù)湫枨?/strong>