在能源轉(zhuǎn)型的浪潮中，如何高效整合太陽能、儲能與電動汽車充電設(shè)施，已成為行業(yè)亟需突破的難題。本期高端訪談，電源網(wǎng)對話德州儀器(TI)系統(tǒng)工程師嚴(yán)駿華和德州儀器(TI)系統(tǒng)工程師凌博文，從芯片級技術(shù)到系統(tǒng)級設(shè)計(jì)，解析光儲充系統(tǒng)如何通過智能化與高效率設(shè)計(jì)，重塑未來能源網(wǎng)絡(luò)。

嚴(yán)駿華 德州儀器 (TI) 系統(tǒng)工程師

目前擔(dān)任德州儀器 (TI) 系統(tǒng)工程師，負(fù)責(zé)工業(yè)電池包方案系統(tǒng)支持，涉及行業(yè)多家知名客戶，從事電子行業(yè)研發(fā)及系統(tǒng)設(shè)計(jì) 9 年。在工業(yè)電池包領(lǐng)域推出過多個成熟方案，且在持續(xù)關(guān)注鋰電池儲能系統(tǒng)的市場和技術(shù)發(fā)展。

凌博文 德州儀器 (TI) 系統(tǒng)工程師

目前擔(dān)任德州儀器 (TI) 系統(tǒng)工程師，負(fù)責(zé)光伏逆變器，功率優(yōu)化器等方案系統(tǒng)支持，與行業(yè)多家客戶進(jìn)行合作。

在過去的數(shù)年可以明顯地感受到，我們正經(jīng)歷著一場能源轉(zhuǎn)型，這場轉(zhuǎn)型極大地改變了我們獲取，儲存，和使用能源的方式。隨著可再生能源在全球能源結(jié)構(gòu)中所占比重不斷上升，半導(dǎo)體正在成為我們發(fā)電、儲能與能源管理的重要力量。從支持太陽能電池板和智能溫控器減少能源浪費(fèi)，到為電動汽車提供安全功能和電池管理系統(tǒng)，半導(dǎo)體正在推動更為高效的能源運(yùn)作，進(jìn)一步為光伏、儲能、電動汽車充電行業(yè)賦能，使系統(tǒng)更加智能、可靠、安全和高效，助力并加速電氣化發(fā)展。

源網(wǎng)側(cè)、工商業(yè)及戶用光伏系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)以及電動汽車充電網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)設(shè)施迅猛發(fā)展，可再生能源的獲取、儲存和使用需求持續(xù)增加，也對系統(tǒng)設(shè)計(jì)中對能源的監(jiān)測、控制和管理提出了更高要求。因此，關(guān)注儲能系統(tǒng)的發(fā)展至關(guān)重要，包括電池管理系統(tǒng) (BMS) 和氮化鎵 (GaN) 功率半導(dǎo)體在內(nèi)的技術(shù)有助于穩(wěn)定電網(wǎng)并優(yōu)化能源使用效率。此外，半導(dǎo)體還支持制造業(yè)中的預(yù)測性維護(hù)、機(jī)器人技術(shù)以及智能化的能源使用，從而盡可能地減少停機(jī)時間并提高產(chǎn)能。在交通運(yùn)輸領(lǐng)域，半導(dǎo)體不僅能夠用于調(diào)控電動汽車充電樁的充電時序與能效，更能優(yōu)化車載電池內(nèi)部的能量流動，從而降低電氣化轉(zhuǎn)型的難度與成本。

德州儀器重點(diǎn)關(guān)注光伏、儲能、電動汽車充電樁以及電網(wǎng)現(xiàn)代化等各個環(huán)節(jié)，我們的模擬和嵌入式處理產(chǎn)品和解決方案，被應(yīng)用于能源從產(chǎn)生、儲存到使用的全生命周期，助力系統(tǒng)設(shè)計(jì)更可靠、更安全、更高效，致力于創(chuàng)新電氣化發(fā)展，共赴可持續(xù)未來。

AI 數(shù)據(jù)中心對能源生產(chǎn)存儲使用的需求

當(dāng)今環(huán)境動態(tài)變化，決策已來不及等待云端響應(yīng)。無論是需求激增、電壓驟降還是天氣相關(guān)干擾，都需要在本地快速做出反應(yīng)。這正是邊緣人工智能 (AI) 成為現(xiàn)代能源基礎(chǔ)設(shè)施基石之一的原因。而隨著高性能計(jì)算和 AI 的采用率越來越高，數(shù)據(jù)中心對能源的需求日益增加，需要更高功率密度和更高效的解決方案。全球數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施供電領(lǐng)域開始使用更智能、更高效的半導(dǎo)體，先進(jìn)的芯片驅(qū)動著人工智能的計(jì)算能力，而模擬半導(dǎo)體則是提高能源效率的關(guān)鍵，在控制和管理電流、電壓、溫度、光和聲音等真實(shí)世界信號方面發(fā)揮著重要作用。它們不僅有助于控制傳輸電力和驅(qū)動電機(jī)，也是實(shí)現(xiàn)高效能源系統(tǒng)的關(guān)鍵。

基于此，TI 正不斷通過創(chuàng)新的半導(dǎo)體技術(shù)提升可再生能源的可及性并支持其未來發(fā)展，以可靠、安全且可擴(kuò)展的電力解決方案，賦能光伏發(fā)電、儲能系統(tǒng)和邊緣自動化等能源系統(tǒng)。

光伏

TI 先進(jìn)的數(shù)字電源轉(zhuǎn)換、電流和電壓檢測產(chǎn)品以及連接和通信解決方案能夠加快節(jié)能、可靠的太陽能系統(tǒng)的開發(fā)，從而并幫助工程師將其與儲能系統(tǒng)和電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施等電網(wǎng)連接資源集成。

——采用氮化鎵(GaN) 等寬帶隙材料制造的半導(dǎo)體正在產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，讓適用光伏應(yīng)用的半導(dǎo)體更易獲取且更具成本效益。

–通過實(shí)現(xiàn)更快的開關(guān)速度與更高的功率密度，TI 基于 GaN 的場效應(yīng)晶體管 (FET) 使工程師能夠設(shè)計(jì)更緊湊、更高效的光伏逆變器，減少能量損耗并簡化整個系統(tǒng)的空間布局。

√TI 基于GaN 的 10kW 單相串式光伏逆變器參考設(shè)計(jì) (TIDA-010938) 由兩個串式輸入組成，每個輸入能處理多達(dá) 10 個串聯(lián)的光伏 (PV) 電池板；還具有一個儲能系統(tǒng)端口，用于處理 50V 至 500V 范圍內(nèi)的電池組，并由單個MCU (包括軟件示例) 提供支持，實(shí)現(xiàn)高達(dá) 10kW 的雙向功率轉(zhuǎn)換。在保持高轉(zhuǎn)換效率的同時，該參考設(shè)計(jì)還可以提升開關(guān)頻率從而減小尺寸，并助力設(shè)備功率密度提高 2 倍達(dá)到 5kW/L，使光伏逆變器更輕、更易于安裝。

–一種基于 GaN 的新型單級變換器，也稱為“Cyclo 變換器”，使微型逆變器和便攜式電源更加高效、體積更小，并有效降低成本。通過使用 C2000™ MCU，控制算法無需外部 FPGA 或?qū)Ｓ?ASIC 即可運(yùn)行。

√在新型單級變換器參考設(shè)計(jì) (TIDA-010954)中，TI 的 GaN 器件以高開關(guān)頻率運(yùn)行變換器，憑借 GaN 的極低輸出電容 COSS，可以帶來更低的關(guān)斷損耗，同時實(shí)現(xiàn)更寬的零電壓開關(guān)范圍。而 Cyclo 變換器作為一種軟開關(guān)拓?fù)?，低?dǎo)通電阻 (RDSON)  助力進(jìn)一步降低導(dǎo)通損耗，從而帶來更高的效率。同時，TIDA-010954 采用6 層 PCB 制造，所有 GaN 器件均采用底部冷卻方式，將功率耗散到 PCB 中，無需額外散熱器。

–隨著對太陽能和ESS 的持續(xù)開發(fā)，更準(zhǔn)確和更可靠的電流檢測技術(shù)可以讓電網(wǎng)在收集能量時更安全、更高效。近年來，太陽能逆變器系統(tǒng)出現(xiàn)了使用貼片霍爾效應(yīng)電流傳感器來替代傳統(tǒng)穿孔傳感器的趨勢，并廣泛應(yīng)用于串式逆變器、戶用逆變器、混合逆變器、微型逆變器、太陽能功率優(yōu)化器和中央逆變器的智能匯流箱等場景中。

√TI 的貼片霍爾效應(yīng)電流傳感器（例如 TMCS112x 和 TMCS113x）具有高精度和低漂移的特性，能夠在整個生命周期和溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)精確的電流測量，其一體式封裝設(shè)計(jì)也有利于緊湊的設(shè)計(jì)，降低對隔離性能的影響、以及系統(tǒng)的復(fù)雜性或成本，有利于提升太陽能系統(tǒng)的性能、效率和可靠性。

——光伏領(lǐng)域的太陽能電弧故障檢測

?TI 在太陽能應(yīng)用中使用機(jī)器學(xué)習(xí)的電弧檢測模擬前端參考設(shè)計(jì)(TIDA-010955) 使用 TI 的 C2000 產(chǎn)品 F28P55x，集成了具有邊緣 AI 算法的 C2000™ MCU，以及用于收集電弧數(shù)據(jù)、訓(xùn)練嵌入式 AI 模型和驗(yàn)證系統(tǒng)的不同軟件工具。該嵌入式 AI 模型經(jīng)過訓(xùn)練可以識別電弧，與傳統(tǒng)的電弧檢測方法相比，這種方法提供了強(qiáng)大的運(yùn)算能力，能夠以更少的計(jì)算工作量實(shí)現(xiàn)更高的精度，幫助系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)超過 98% 的故障檢測準(zhǔn)確率，提高太陽能系統(tǒng)安全性和可靠性。該產(chǎn)品集成了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理單元 (NPU)，能夠使推理速度提升 5~10 倍，助力實(shí)現(xiàn)更快、更準(zhǔn)確的決策。

儲能

隨著可再生能源發(fā)電的擴(kuò)張和電氣化帶來的需求增長，儲能對于在分散式電網(wǎng)中平衡供需及降低消費(fèi)者能源成本變得至關(guān)重要。為實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)作，這些儲能系統(tǒng)必須能夠?qū)崟r監(jiān)控、管理并響應(yīng)不斷變化的運(yùn)行狀況，而這些能力的實(shí)現(xiàn)直接依賴于半導(dǎo)體技術(shù)。

在現(xiàn)代 BESS 中，電池管理系統(tǒng) (BMS) 如同電池組的大腦，監(jiān)測電壓、電流和溫度等參數(shù)，并深入了解充電狀態(tài)（評估可用剩余電量）和運(yùn)行狀況（評估電池芯的整體狀態(tài)和老化程度）。通過提高電池監(jiān)測器的精度并增強(qiáng)系統(tǒng)級安全性，BMS 可以有效維持能源使用效率，防止電池的過早老化，從而延長 BESS 壽命。

——其中，電池管理系統(tǒng)依賴高精確度模元件擬來監(jiān)控每個電池單元的電壓、溫度和電流。這類精確測量提供了必要數(shù)據(jù)，有效地幫助防止熱失控并延長電池壽命，同時確保戶用和工商用規(guī)模儲能系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

–電化學(xué)阻抗譜(EIS) 能夠測量復(fù)阻抗，更好地跟蹤電池狀態(tài)，從而更好地估算電池的 SOC、SOH 和溫度，防止熱失控并及早發(fā)現(xiàn)內(nèi)部短路。

–主動電芯均衡、主動電池包均衡可以解決大容量電池單元的不平衡問題，從而延長儲能系統(tǒng)的使用壽命。

——TI儲能產(chǎn)品的技術(shù)優(yōu)勢：

–高精度電池電壓測量：TI 的BQ78706 能夠在 -40℃~125℃ 范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)±2.4mV 電池電壓測量精度。

–冗余電池電壓和溫度測量。

–冗余菊花鏈通信。

–全面的故障診斷能力，包括電池和溫度測量，以及過流、過壓、欠壓和過溫保護(hù)。

——TI 針對儲能應(yīng)用提供的BMS方案可以通過以下方式減少事故發(fā)生：

–高精度電池電壓和溫度測量：TI 的BQ78706 能夠在-40℃~125℃ 范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)±2.4mV 的電池電壓測量精度。將 TMUX1308 與 BQ78702/BQ78706 配合使用，可以擴(kuò)展BQ78702/BQ78706的溫度監(jiān)測通道，使每個電池溫度得到監(jiān)測，從而防止電池出現(xiàn)熱失控。

–冗余電池電壓和溫度測量：TI 的BQ78706 集成了獨(dú)立的 ADC（包括主 ADC 和冗余 ADC），用于測量電池電壓和溫度，從而防止 ADC 故障。

–冗余菊花鏈通信：TI 的BQ78706 與 BQ79600-Q1 采用環(huán)形通信結(jié)構(gòu)，可防止斷線時，出現(xiàn)通訊中斷故障。

–使用TI 的 BQ79731-Q1 準(zhǔn)確測量電池組電壓、電流和阻抗。

——針對市場需求的變化，TI針對打造安全、高效和可靠儲能系統(tǒng)有以下技術(shù)投入：

–在當(dāng)前電池技術(shù)由鋰離子電池轉(zhuǎn)向 LiFePO4 化學(xué)電池及更先進(jìn)的方案的趨勢下，BMS 系統(tǒng)提供精確的數(shù)據(jù)監(jiān)測，并實(shí)現(xiàn)所有 ESS 模式下的電池組和電芯級均衡，從而最大限度地提高對太陽能、風(fēng)能等可再生能源的能源利用率，這有助于在用電高峰期間穩(wěn)定電網(wǎng)運(yùn)行、或在斷電期間提供穩(wěn)定的備用電力支持。TI 的BESS 架構(gòu)適用于基于鋰離子和 LiFePO4 電池的高壓 (1,500V) 電池系統(tǒng)，包含多套完整系統(tǒng)解決方案的參考設(shè)計(jì)：

√TI 高達(dá)1500V 的高壓鋰離子和磷酸鐵鋰電池組組合參考設(shè)計(jì) (TIDA-HVBMS-ESS-PLTFRM) 是適用于 1500V 電網(wǎng)級的儲能電池 BMS 硬件和軟件的系統(tǒng)平臺方案，集成了電池管理單元TIDA-010279、高壓管理單元TIDA-010272、電池控制單元TIDA-010253。這一方案可監(jiān)控每個電芯的電壓、電芯溫度、總線電壓、并聯(lián)電流、絕緣阻抗，并保護(hù)可用性以確保安全使用。研發(fā)工程師可以自由選擇菊花鏈通信或 CAN 通信進(jìn)行堆疊，以支持用于采用菊花鏈的多模塊電池或用于支持 CAN 的多模塊電池。

√適用于儲能系統(tǒng)的高達(dá)1,500V 的可堆疊電池管理單元參考設(shè)計(jì) (TIDA-010279) 結(jié)合了多個電池管理單元，這些單元利用 BQ78706 堆疊式電池監(jiān)測器通過冗余數(shù)據(jù)測量功能來檢測電池電壓、溫度。

√適用于儲能系統(tǒng)的1,500V 高壓電池架監(jiān)測單元參考設(shè)計(jì) (TIDA-010272) 是一種高壓監(jiān)測單元，該單元采用 BQ79731-Q1 電池簇監(jiān)測器來實(shí)現(xiàn)高壓電壓和電流的監(jiān)控和測量，并集成冗余數(shù)據(jù)測量功能。

√電池控制單元參考設(shè)計(jì) (TIDA-010253) 能夠可靠地驅(qū)動系統(tǒng)開關(guān)，從而幫助維持系統(tǒng)安全。

–隨著能源應(yīng)用逐漸走向終端用戶側(cè)，戶用儲能（RESS）也日益成為重要發(fā)展方向。戶用儲能系統(tǒng)一般為 48V 或 800V 以下，采用的是低壓電池包的并聯(lián)實(shí)現(xiàn)擴(kuò)容，通常使用背靠背低壓和較低成本 MOS 作為充放電的開關(guān)，因此就需要可靠和穩(wěn)定的器件控制MOS的開通和關(guān)斷。低成本和輕量化逐漸成為低壓電池儲能設(shè)計(jì)時會考慮的難點(diǎn)。TI 也提供了面向戶用儲能場景的參考設(shè)計(jì)：

√面向 48V 至 1500V 儲能系統(tǒng)的高精度電池管理單元參考設(shè)計(jì)(TIDA-010247) 兼具性能和成本優(yōu)化，采用 80MHz Arm® Cortex®-M0+ 核的 MCU——MSPM0G3519，具有512KB 雙組閃存和 128KB SRAM，外設(shè)支持 2 路 CAN-FD 和各 3 路的 I2C 和 SPI。大內(nèi)存和豐富的外設(shè)使其適用于低壓 BMS 的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中主控 MCU。同時，該參考設(shè)計(jì)采用堆疊式 BQ769x2 電池監(jiān)測器系列的高側(cè) N 溝道 MOSFET 控制（多達(dá) 32 節(jié)串聯(lián)）電池管理單元 (BMU)，設(shè)計(jì)了安全可靠的充放電 MOSFET 的驅(qū)動電路，可以驅(qū)動多達(dá) 8 對的 MOSFET，從而支持更大的充放電電流，大于 100A 的恒定電流。

電網(wǎng)

-通過將支持AI 的處理能力嵌入電網(wǎng)邊緣的設(shè)備中，TI 的技術(shù)作為嵌入式系統(tǒng)的“大腦”，使工程師能夠構(gòu)建無需依賴遠(yuǎn)程服務(wù)器即可分析數(shù)據(jù)、檢測異常并實(shí)時響應(yīng)的系統(tǒng)。這使得從變壓器到智能電表的各種設(shè)備都能夠更快地檢測故障、優(yōu)化負(fù)載平衡并提升系統(tǒng)自主性。這些能力對于需大規(guī)模數(shù)據(jù)支持和驅(qū)動的能源管理系統(tǒng)至關(guān)重要。

-邊緣智能在增強(qiáng)電網(wǎng)彈性方面也發(fā)揮著關(guān)鍵作用。在分布式電網(wǎng)模型中，有數(shù)千個節(jié)點(diǎn)在發(fā)電、存儲和消耗電力。要使這樣的系統(tǒng)正常運(yùn)行，每個節(jié)點(diǎn)都需要具備自我感知和自適應(yīng)能力。我們的嵌入式處理器和模擬前端支持電壓檢測、負(fù)載平衡和自動控制，將響應(yīng)能力融入硬件，使能源系統(tǒng)能夠隨工況變化而自適應(yīng)調(diào)整。

-嵌入式處理器和連接解決方案還幫助電網(wǎng)運(yùn)營商從各個智能電表收集準(zhǔn)確的能源使用數(shù)據(jù)。這能夠?qū)崿F(xiàn)更智能的能源使用，并提升用戶體驗(yàn)。