【導讀】電池可以用來儲存太陽能和風能等可再生能源在高峰時段產生的能量，這樣當環境條件不太有利於發電時，就可以利用這些儲存的能量。本文回顧了住宅和商用電池儲能係統 (BESS) 的拓撲結構，然後介紹了安森美(onsemi) 的EliteSiC 方案
，可作為矽MOSFET 或IGBT開關的替代方案，改善 BESS 的性能。

dianchikeyiyonglaichucuntaiyangnenghefengnengdengkezaishengnengyuanzaigaofengshiduanchanshengdenengliang
，zheyangdanghuanjingtiaojianbutaiyouliyufadianshi，jiukeyiliyongzhexiechucundenengliang。benwenhuigulezhuzhaiheshangyongdianchichunengxitong (BESS) 的拓撲結構
，然後介紹了安森美(onsemi) 的EliteSiC 方案，可作為矽MOSFET 或IGBT開關的替代方案
，改善 BESS 的性能。

BESS的優勢

最常用的儲能方法有四種，分別是電化學儲能、化學儲能、熱儲能和機械儲能。鋰離子電池是家喻戶曉的電化學儲能係統
，具有高功率密度、高效率、外形緊湊
、模(mo)塊(kuai)化(hua)等(deng)特(te)點(dian)。此(ci)外(wai)
，鋰(li)離(li)子(zi)電(dian)池(chi)技(ji)術(shu)成(cheng)熟(shu)，因(yin)此(ci)非(fei)常(chang)可(ke)靠(kao)且(qie)成(cheng)本(ben)較(jiao)低(di)。隨(sui)著(zhe)鋰(li)離(li)子(zi)電(dian)池(chi)價(jia)格(ge)的(de)持(chi)續(xu)下(xia)降(jiang)，其(qi)在(zai)儲(chu)能(neng)係(xi)統(tong)中(zhong)的(de)使(shi)用(yong)不(bu)斷(duan)增(zeng)加(jia)。

使用帶有儲能電池的並網/離網太陽能逆變器係統，為住宅和商業用戶帶來諸多好處， 包括以下幾個方麵。

●   價格：當公用事業提供商的電價較高時

，儲存能量可以降低電費。

●   自給自足：儲存能量可以減少（或消除）對電網的依賴。

●   備用電源：儲存的電力可在主電源出現故障時用作替代電源。

圖1 BESS實施概覽

BESS主要構建模塊

BESS通常包括四大構建模塊。

●   可充電電池模塊：其中包括機架式電池單元，其標稱電壓從50 V 到 1000 V 以上不等。

●   電池管理係統 (BMS)：BMS 用於‘保護和管理可充電電池，確保電池在安全工作參數範圍內運行。

●   變流器 (PCS)：PCS 將電池組連接到電網和負載
，是影響 BESS 成本、尺寸和整體性能的一個重要因素。

●   能源管理係統 (EMS)：EMS 軟件用於監測
、控製和優化發電或輸電係統。

圖2 住宅交流耦合（上）和直流耦合（下）ESS

住宅BESS

與BESS搭配使用的變流器可以按照耦合能量的方式（交流或直流）分類，也可以按照功率等級（住宅或商業）fenlei。zhiliuouhexitonghuohunhenibianqijinxuyaoyigedianyuanzhuanhuanbuzhou。raner

，duiyuxianyoutaiyangnenghuofenglifadianxitongeryan，suiranjiaoliuouhechunengshiyizhongjiandandeshengjifangan，dantaxuyaoewaidedianyuanzhuanhuanbuzhoulaiduidianchichongdianhefangdian
，yincikenenghuisunshigengduogonglv。liru
，zhuzhaibianliuqikeyitianjiadaoxianyoutaiyangnengnibianqixitongzhong，yishiyongchanshengdenengliangweibeiyongdianchichongdianhuoweijiayongdianqigongdian。

雙向DC-DC轉換器用於連接電池組和直流鏈路。單相係統的母線電壓通常小於600 V
，而充放電功率不會超過10 kW。在這種情況下，降壓- 升壓轉換器是最常見的雙向DC-DC 拓撲
，因為它需要的組件少且易於控製。在此類雙向係統中，兩個帶有並聯二極管的650 V IGBT 或MOSFET 就足夠了。例如，安森美的650 V FS4 IGBT FGH4L75T65MQDC50 集成了SiC 二極管，可在這種應用中實現低導通和低開關損耗。

隔離可以確保BESS 用戶的安全
，雙有源橋轉換器 (DAB) 或CLLC 拓撲結構為BESS 提供了隔離型雙向DC-DC 轉換器方案。如果電池電壓發生顯著變化
，級聯前端降壓- 升壓電路可以提供更寬範圍的輸入和輸出電壓。這種方法還降低了無功功率，並增加了軟開關區的大小。NTP5D0N15MC 150 V N 溝道屏蔽柵極PowerTrench MOSFET 非常適合這些拓撲。

商(shang)業(ye)和(he)企(qi)業(ye)場(chang)所(suo)及(ji)具(ju)有(you)較(jiao)大(da)功(gong)率(lv)需(xu)求(qiu)的(de)家(jia)庭(ting)通(tong)常(chang)采(cai)用(yong)標(biao)準(zhun)的(de)三(san)相(xiang)電(dian)源(yuan)。在(zai)三(san)相(xiang)應(ying)用(yong)中(zhong)，電(dian)源(yuan)開(kai)關(guan)必(bi)須(xu)能(neng)夠(gou)承(cheng)受(shou)所(suo)需(xu)的(de)工(gong)作(zuo)電(dian)壓(ya)和(he)電(dian)流(liu)
，以(yi)提(ti)供(gong)高(gao)達(da)15 kW 的輸出功率
，而且還要能夠承受高於住宅裝置所用的直流鏈路電壓（高達1 000 V）。為此，可以將之前考慮的650 V開關替換為1 200 V 器件，作為三電平對稱降壓- 升(sheng)壓(ya)拓(tuo)撲(pu)的(de)一(yi)部(bu)分(fen)。這(zhe)樣(yang)，開(kai)關(guan)損(sun)耗(hao)會(hui)更(geng)低(di)，因(yin)為(wei)隻(zhi)有(you)一(yi)半(ban)的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)出(chu)現(xian)在(zai)開(kai)關(guan)和(he)二(er)極(ji)管(guan)上(shang)。它(ta)的(de)另(ling)一(yi)個(ge)優(you)點(dian)是(shi)所(suo)需(xu)的(de)電(dian)感(gan)更(geng)小(xiao)，並(bing)且(qie)EMI 性能得到改善。遺憾的是，這種方法需要更多組件

，導致設計複雜性
、控製難度和係統成本增加。

商用BESS

商用儲能係統的輸入和輸出功率範圍通常在100 kW至2 MW 之間。這些大型裝置可能由若幹個三相子係統組成，功率範圍從幾十千瓦到超過100 kW 不(bu)等(deng)。在(zai)這(zhe)類(lei)應(ying)用(yong)中(zhong)
，最(zui)大(da)直(zhi)流(liu)電(dian)壓(ya)是(shi)一(yi)項(xiang)關(guan)鍵(jian)參(can)數(shu)

，它(ta)取(qu)決(jue)於(yu)現(xian)有(you)太(tai)陽(yang)能(neng)係(xi)統(tong)的(de)母(mu)線(xian)電(dian)壓(ya)或(huo)電(dian)池(chi)電(dian)壓(ya)。標(biao)準(zhun)商(shang)用(yong)太(tai)陽(yang)能(neng)逆(ni)變(bian)器(qi)的(de)直(zhi)流(liu)母(mu)線(xian)電(dian)壓(ya)通(tong)常(chang)為(wei)1 100 V，但在公用事業規模係統中可能高達1 500 V。對於給定功率水平，提高直流母線電壓會降低電流

，從而降低互連電纜的成本。

圖3 雙向DC-DC的降壓-升壓

交流耦合係統更常用於商用BESS，因yin為wei它ta可ke以yi輕qing鬆song添tian加jia到dao現xian有you設she計ji中zhong。直zhi流liu耦ou合he係xi統tong對dui電dian氣qi改gai造zao的de要yao求qiu相xiang對dui較jiao高gao，尤you其qi是shi商shang用yong場chang合he
，因yin為wei必bi須xu將jiang其qi連lian接jie到dao直zhi流liu母mu線xian
，而er直zhi流liu母mu線xian通tong常chang位wei於yu原yuan係xi統tong內nei部bu
，具ju有you高gao電dian壓ya和he高gao電dian流liu。三san電dian平pingI-NPC 是大功率工業應用中常常與逆變器配合使用的拓撲結構。它有四個開關
、四個反向二極管和兩個鉗位二極管，擊穿電壓低於實際直流鏈路電壓
，這意味著650 V 開關在1 100 V 係統中就足夠了。

圖4 三相I-NPC拓撲結構

使用三電平拓撲結構有幾個優點。首先，其開關損耗較低（與施加到開關和二極管的電壓的平方成正比）。其次
，其電流紋波較低，並且峰峰值電壓為總輸出的一半，因而更容易利用較小、成本較低的電感進行濾波。最後
，與電流紋波相關的傳導EMI 更低，電磁輻射也更低。升級到A-NPC tuopuketigonggenghaodexingneng，yinweitayonglianggegengdisunhaodeyouyuankaiguanqudailelianggeqianweierjiguan。raner，duiyuzhezhongjiagou，qudongqipeiduiheyanchipipeizhiguanzhongyao，danzhezaimouxieyingyongzhongkenengshiyigebuliyinsu。

SiC方案有助於改善BESS性能

SiC具有比矽更優越的性能特征，例如：更寬的帶隙
、更高的擊穿場強和更高的熱導率。這些特性使SiC器件能夠在更高的頻率下工作，而無需權衡輸出功率與電感尺寸。憑借 SiC 帶來的更高工作效率
，在某些情況下，可使用自然散熱來代替強製風冷。安森美的650 V EliteSiC MOSFET NTH4L015N065SC1和NTBL045N065SC1是取代儲能係統應用中矽基開關的理想選擇。同時，EliteSiC 功率集成模塊采用1 200 VNXH40B120MNQ0 雙升壓和 NXH010P120MNF1 2 件裝半橋
，可以在公用事業規模係統中提供更高的功率密度。安森美還提供其他幾種組件，包括柵極驅動器、電流檢測放大器和 MACPHY 以太網控製器，都可用於BESS應用。

（本文來源於EEPW 2023年10月期）

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