電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文 / 吳子鵬）隨著光伏、風(fēng)電等間歇性電源裝機(jī)量大幅增加，電網(wǎng)調(diào)峰壓力顯著增大。儲(chǔ)能系統(tǒng)作為平抑功率波動(dòng)、提高間歇性電源消納率的關(guān)鍵手段，需要在功率密度和儲(chǔ)能容量上同步升級(jí)。

由于光伏行業(yè)已從1000V向1500V直流電壓轉(zhuǎn)變，這直接促使儲(chǔ)能系統(tǒng)電壓等級(jí)與之匹配。1500V儲(chǔ)能系統(tǒng)能與光伏系統(tǒng)完美銜接，可減少變流器使用數(shù)量，降低線纜損耗，提升系統(tǒng)整體效率，目前已成為大型儲(chǔ)能電站的主流選擇。在1500V電池儲(chǔ)能系統(tǒng)領(lǐng)域，半導(dǎo)體廠商通過(guò)創(chuàng)新功率器件和系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)，推出了一系列高可靠性、高效率的參考方案，有助于設(shè)計(jì)人員快速實(shí)現(xiàn)方案落地。

高壓儲(chǔ)能時(shí)代的BMS設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

儲(chǔ)能系統(tǒng)電壓從1000V提升到1500V，并非簡(jiǎn)單的參數(shù)變化，而是帶來(lái)了效率優(yōu)化和安全保障兩方面的挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)儲(chǔ)能系統(tǒng)存在電池簇并聯(lián)環(huán)流損耗、系統(tǒng)壽命受最弱電芯性能限制以及設(shè)備冗余配置成本高等問(wèn)題。1500V系統(tǒng)提高電壓等級(jí)，可降低系統(tǒng)工作電流，減小線纜截面積，降低布線成本，但對(duì)電池管理系統(tǒng)（BMS）提出了更高要求。

在1500V電壓下，系統(tǒng)設(shè)計(jì)需滿足更高絕緣等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)留更長(zhǎng)爬電距離。傳統(tǒng)BMS的采樣與通訊模塊難以適應(yīng)高壓環(huán)境，電池?cái)?shù)據(jù)采集要保證高精度和低延遲，否則會(huì)影響安全判斷準(zhǔn)確性，埋下安全隱患。

此外，電弧檢測(cè)誤差和滯后問(wèn)題突出。在工商業(yè)儲(chǔ)能場(chǎng)景中，若接觸器老化、電纜磨損等問(wèn)題未及時(shí)檢測(cè)，易導(dǎo)致電弧長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)且無(wú)法快速切斷，引發(fā)安全事故。

TIDA - HVBMS - ESS - PLTFRM

首先介紹德州儀器（TI）的TIDA - HVBMS - ESS - PLTFRM平臺(tái)方案，這是一款1500V電網(wǎng)級(jí)儲(chǔ)能電池管理系統(tǒng)，有三種針對(duì)高壓鋰離子（Li - ion）和磷酸鐵鋰（LiFePO4）電池組的設(shè)計(jì)方案。該架構(gòu)整合了三大核心參考設(shè)計(jì)，分別是電池管理單元（BMU）TIDA - 101279、高壓管理單元（HMU）TIDA - 010272以及電池控制單元（BCU）TIDA - 010253。此設(shè)計(jì)可實(shí)時(shí)監(jiān)控每個(gè)電芯的電壓、溫度、總線電壓、并聯(lián)電流及絕緣阻抗，保護(hù)電池組安全運(yùn)行。

三塊電路板的連接方式如下：

TIDA - 101279作為BMU，是針對(duì)52芯鋰離子（Li - ion）、磷酸鐵鋰（LiFePO4）電池組的全面解決方案，具備電芯溫度傳感和高電芯電壓精度監(jiān)測(cè)功能。它能實(shí)時(shí)監(jiān)控每個(gè)電芯的電壓和溫度，保護(hù)電池包安全；收集的電壓與溫度信息，可通過(guò)通用異步收發(fā)器（UART）或菊花鏈傳輸至BCU電路板。

TIDA - 010272作為HMU，可監(jiān)測(cè)四個(gè)高壓總線輸入信號(hào)、一個(gè)分流電流與溫度數(shù)據(jù)，以及電池的絕緣阻抗，確保電池架安全運(yùn)行；檢測(cè)到的高壓數(shù)據(jù)和絕緣采樣信息，可通過(guò)串行外設(shè)接口（SPI）或菊花鏈傳輸至BCU。

TIDA - 010253作為BCU，主要負(fù)責(zé)計(jì)算和處理來(lái)自HMU與BMU電路板的信號(hào)，并提供對(duì)外的RS - 485、CAN及以太網(wǎng)通信接口，實(shí)現(xiàn)與外部系統(tǒng)的信息交互。

RD - BESS1500BUN

恩智浦（NXP）的RD - BESS1500BUN是一款量產(chǎn)級(jí)電池管理系統(tǒng)參考設(shè)計(jì)。其架構(gòu)設(shè)計(jì)遵循IEC61508和IEC60730標(biāo)準(zhǔn)，支持最高1500V電壓等級(jí)，適用于公用事業(yè)、商業(yè)、工業(yè)及住宅儲(chǔ)能領(lǐng)域的高壓電池管理解決方案。

RD - BESS1500BUN具有強(qiáng)可擴(kuò)展性、高安全性和精準(zhǔn)測(cè)量能力等特點(diǎn)。在可擴(kuò)展性方面，適配各類(lèi)應(yīng)用場(chǎng)景的高壓BMS芯片解決方案，可降低企業(yè)開(kāi)發(fā)成本，加快產(chǎn)品上市進(jìn)程；在安全性方面，系統(tǒng)架構(gòu)通過(guò)預(yù)認(rèn)證，符合IEC61508 SIL 2和IEC60730 Class B標(biāo)準(zhǔn)，滿足多項(xiàng)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)對(duì)功能安全的要求；在精準(zhǔn)測(cè)量方面，精確且同步的測(cè)量技術(shù)能挖掘電池性能潛力，提升系統(tǒng)效率、增強(qiáng)功能穩(wěn)定性、維護(hù)電池健康狀態(tài)并優(yōu)化投資回報(bào)。

作為量產(chǎn)級(jí)設(shè)計(jì)，恩智浦RD - BESS1500BUN采用了多款高性能器件，包括電芯控制器6通道鋰離子電池控制器IC MC33772C、18通道鋰離子電池控制器IC（滿足ASIL D等級(jí)）MC33774；電池通信IC通用BMS通信TPL收發(fā)器及CAN FD網(wǎng)關(guān)MC33665A；還有S32K汽車(chē)通用MCU S32K3、FS26功能安全系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片等。

集成羅姆2kV SiC MOSFETs的模塊

今年5月，SMA Solar Technology AG宣布在其太陽(yáng)能系統(tǒng)新產(chǎn)品“Sunny Central FLEX”中，采用了內(nèi)置羅姆（ROHM）新型2kV SiC MOSFETs的賽米控丹佛斯（Semikron Danfoss）功率模塊。

賽米控丹佛斯的SEMITRANS ? 20功率模塊專為大功率和高速開(kāi)關(guān)工況設(shè)計(jì)，是下一代大型轉(zhuǎn)換器用功率模塊的代表。內(nèi)置羅姆2kV SiC器件的SEMITRANS ? 20是SMA Sunny Central FLEX的核心組件。

目前，SEMITRANS ? 20產(chǎn)品系列有兩種版本：SEMITRANS ? 20 TRACTION專為鐵路機(jī)車(chē)應(yīng)用設(shè)計(jì)，提供高運(yùn)行可靠性；SEMITRANS ? 20 INDUSTRIAL針對(duì)風(fēng)電、太陽(yáng)能及驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用優(yōu)化，支持1500V直流電壓的儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用。

國(guó)內(nèi)廠商的代表產(chǎn)品

基本半導(dǎo)體的1500V/360A SiC模塊BMF360R15E2G3，適用于高壓光儲(chǔ)一體化儲(chǔ)能變流器（PCS），支持1.5kV直流側(cè)電壓，150kW滿載工況下效率達(dá)98.8%，成本比國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品低40%。

瞻芯電子的1500V SiC驅(qū)動(dòng)芯片IVCR1401與1200V/30mΩ MOSFET IVCS120R030，是面向高性能電力電子應(yīng)用的碳化硅（SiC）分立器件解決方案。兩者協(xié)同工作，可為光伏逆變器、儲(chǔ)能系統(tǒng)、電動(dòng)汽車(chē)及充電樁等對(duì)效率、功率密度要求高的場(chǎng)景提供靈活可靠的器件支持。其中，1500V SiC驅(qū)動(dòng)芯片IVCR1401支持1500V母線電壓，VCC供電范圍18 - 35V，可適配高壓系統(tǒng)中SiC MOSFET與IGBT的驅(qū)動(dòng)需求。

結(jié)語(yǔ)

從行業(yè)發(fā)展來(lái)看，1500V電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的興起并非偶然，它是光伏電壓等級(jí)升級(jí)的適配產(chǎn)物，也是解決電網(wǎng)調(diào)峰壓力、提高間歇性電源消納率的關(guān)鍵。與1000V系統(tǒng)相比，1500V架構(gòu)降低電流，減少線纜損耗和變流器需求，提升系統(tǒng)效率，但也帶來(lái)諸多挑戰(zhàn)，如BMS絕緣等級(jí)適配、采樣精度提高、電弧檢測(cè)優(yōu)化，以及功率器件耐壓性能和開(kāi)關(guān)效率升級(jí)等。

這些參考設(shè)計(jì)的價(jià)值不僅在于解決1500V儲(chǔ)能的技術(shù)難題，滿足高壓環(huán)境下的安全和可靠性要求，通過(guò)集成化、模塊化設(shè)計(jì)降低企業(yè)開(kāi)發(fā)成本、加快產(chǎn)品上市進(jìn)程；更在于推動(dòng)1500V儲(chǔ)能從“概念”走向“規(guī)?；涞亍保瑸榇笮凸夥L(fēng)電電站配套儲(chǔ)能系統(tǒng)提供高效、成熟的技術(shù)路徑。

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