市场快速发展，储能系统集成如何完成升维？

AI 应用爆发式增长，引发各界对于算力对电力能源短缺担忧。众多知名人士指出，AI 的发展可能会导致能源短缺，为保证电网供应稳定，发展储能势在必行。

与此同时，储能的市场环境也在发生重大变化，频繁变动的政策给储能收益增加了不确定性。这也在倒逼储能系统集成设计方案加速“升维”。技术升维之战如何打？且从安全、可靠、高效入手。

大容量+高压

翘首以盼储能系统集成安全

为了推动储能降本，提高能量密度、追求“大容量”成了企业必争之地。今年初有 688Ah 的组团官宣投产、随后又有 587Ah 电芯集体亮相，截至目前，超 500Ah 的电芯已衍生出几十种规格方案。与此同时，储能系统储能系统单箱容量从去年的 6+MWh 已经晋升到 9MWh。

在“大容量”趋势下，储能系统也在向“高压”方向发展。当下 1500V、甚至 2000V 高压平台储能系统中，储能电芯容量和尺寸规格增大、电池数量的增多，电池运行带来的温升会更明显，系统的集成难度和安全威胁都在同步激增。部分事故案例直观地告诉我们，电池储能一旦发生火灾很难被彻底消灭，因而更需要从源头端做好监测管理。

在以往的解决方案中，各司其职的模式很难实现效能的高度统一。就以储能系统内部核心的电池管理系统来说，一旦设计不合理，其内部元器件的可靠性和稳定性都将受到影响，继而影响储能系统整体运行和收益。此时考验的不仅是单一设备能力的提升，更考验“集成”和“融合”的能力，如何让各类零部件高度匹配并发挥最佳效果，同时保持稳定性和安全性。

德州仪器（Texas Instruments, 以下简称 TI）作为一家全球性半导体企业，正在为储能电池管理打造系统级解决方案。TI 凭借其自主研发芯片的能力，推出了软件+硬件一站式结合的支持高达 1500V 储能电池管理的系统级平台方案 (TIDA-HVBMS-ESS-PLTFRM)。

TI 高达 1500V 的高压锂离子和磷酸铁锂电池组组合参考设计 (TIDA-HVBMS-ESS-PLTFRM)

TI 的 1500V 电网级储能电池管理系统平台方案，包含了电池监测单元 (BMU)、高压监测单元 (HMU)，以及电池控制单元 (BCU)，这三大核心设计方案结合起来，既可以支持实现电芯精确监测、电流测量和电池模块控制，同时也可以助力 BMS 加快升级，以满足大容量高压储能系统发展趋势下对于安全性和可靠性的要求，TI 也可面向终端应用需求提供定制化设计方案。

其中，电池监测单元 BMU 方案 (TIDA-010279) 是 52 节电芯的电池监测单元。该方案采用了 TI 最新电池管理芯片 BQ78706 堆叠式电池监测器，支持全温度范围内 ±2.4mV 高精度电芯电压测量，同时可以通过冗余数据测量功能来检测电池故障，以实现全电芯温度检测，并且支持对温度采样的诊断，从而进一步提高电池热管理的可靠性。

高压监测单元 HMU 方案 (TIDA-010272) 是高达 1500V 电池簇高压监测单元。该方案采用 BQ79731-Q1 电池组监测器来实现总线电压、电流和绝缘阻抗的高精度测量，并集成冗余数据测量功能。

而电池控制单元 BCU 方案 (TIDA-010253)，则能够可靠地驱动系统继电器，从而帮助维持系统安全，同时它也集成了 CAN、RS485、以太网、菊花链等丰富的通讯接口，为系统智能化管理与跨平台协同提供灵活适配方案。为了满足高达 1500V 电压下的安规设计，TI 在 BMU 方案 (TIDA-010279) 和 HMU 方案 (TIDA-010272) 加入了爬电满足 15mm 的超宽体数字隔离器 ISO7841DWW，还专门设计了为隔离器供电的加强绝缘 DCDC 模块 UCC33421，一并集成封装在芯片内，由此获得了更高集成度的芯片，提升元器件的可靠性。

据悉，在储能集成领域，隔离器与隔离驱动技术的协同开发存在较高技术壁垒，并非所有厂商都具备这样的能力。而 TI 则将二者深度融合打造出更前瞻性的集成方案，有效推动了储能系统集成技术的迭代。

长效+降本

电池“包间”主动均衡需求显现

当下储能正在迈入市场化阶段，业内越来越关注储能系统转换效率、实际可用容量、可用寿命等指标。然而随着储能电站规模增大，电芯数量急剧攀升，电池的不一致性也被进一步放大，储能系统短板效应愈加明显，整体的运行收益将严重打折。

为了进一步提升储能系统可用容量，越来越多的企业开始关注 BMS 技术内核的选择，逐步从被动均衡转向主动均衡管理。但是，这种均衡仅限于解决电芯间的不一致性。

在大容量电芯、大容量电池 PACK 以及大容量储能系统趋势下，业内还需要关注电池 PACK 间的均衡。TI 专家指出，“52 个电芯组成的 PACK，其电压功率都在同步增长，能量差异将更明显。”

今年，华东地区率先发布了储能领域“最严令”，率先开启了储能领域的存量电站改造计划。而改造的首个重点，就是要解决储能电池可用容量、循环寿命问题。但如果只是简单更换单一的储能电池包，那么新旧电池包之间天然存在的能量差异会更大，进一步压缩储能系统整体可利用容量。

而对于海外户用储能来说，目前企业大多都在推广堆叠式、可扩展的模块储能电池产品。这类产品更加需要包间主动均衡技术，来平衡可用电量、提升储能系统能效。

而 TI 率先在这个环节实现了突破。谐振双有源桥有源包间均衡设计方案，可以有效提升储能可用容量，解决新旧电池包混用的不一致性难题。而且无论是工商业储能或源网侧高压储能，只要设备预留了接口，就可以加装 TI 的 DCDC 模块，以通用的 CAN 总线支持 BMU 之间的堆叠，实现储能寿命和可用容量的显著提升。

TI 基于谐振双有源桥的有源包间均衡参考设计

不过，这种主动均衡技术难度较大，目前鲜有企业能够做到。它需要识别电池包之间的微弱差异，并迅速反馈给控制系统，最后再通过“自适应调节”，整个过程真正考验的是系统对电芯数据的监测精度、传输效率和管理能力，这些其实都受制于芯片能力，而若采用更多数量的芯片则会带来成本的上升。

而 TI 自研的 BQ78702B 电池管理芯片，最多可以支持 18 通道、支持更多的数据传输，可以实现在 -40℃~125℃ 工作温度下 ±2.4mV 超精度电压监测，能有效监测和预防热失控的发生。基于此打造的主动均衡方案，不仅适用于大型储能，更适用于支持可堆叠式拓展的户用储能产品。每个独立电池包可用容量不打折，将明显提升系统整体的转换效率。

而若要进一步推动储能系统能效提升，或许无线 BMS 将是重要突破口之一。

电池管理系统的连接线束和插件都存在自身寿命局限，尤其在在储能领域还需要人工检测维修，随着储能系统容量增大，这些连接线束所带来的安全风险和运维成本也在随之上涨。而无线 BMS 意味着可以减少连接线束用料成本、且大大降低运维难度和成本，将推动储能系统结构简化、提升空间利用率和储能系统能量密度。

TI 可堆叠无线电池管理单元

当然，这种前沿的技术也面临多重挑战，其中包括数据处理速率、监控技术的精准度、无线通信可靠性等等。而 TI 已经深耕无线技术 20 余年，专注于 Sub1GHz、2.4GHz 和 Wifi 的应用与创新，可以利用其丰富的无线芯片设计经验助力无线电池管理系统技术实现快速突破。

光储一体

半导体技术重构能源系统升级

目前，储能严重的市场内卷、价格战，令部分企业储能成本倒挂，企业收入已经无法覆盖日常经营及研发成本。而现有的储能系统降本方案，大多仍聚焦于直流侧储能电芯容量的提升，却忽略了交流侧才是储能系统层面降本的关键。

无论是分布式光储、还是工商业应用场景，系统长期运营收益需要聚焦降低能量转换损耗与运行成本，而氮化镓 (GaN) 作为高功率器件则是提升储能系统经济性的关键。

当下，GaN 凭借阻抗低、寄生参数小的优势，正在高速深入新能源储能领域。其中阻抗低意味着在同样大小的电流模式下，系统的损耗更低、效率会更高；而寄生参数小，则意味着可以提高开关频率，并将磁性元器件和电容做的更小。

随着家庭大功率电器普及、电动汽车渗透率提高，叠加光伏政策驱动，海外堆叠式户用储能需求日益增长。而 GaN 尤其适合这类堆叠式系统设计，不仅可以提高集成度、节省体积空间，还相较于传统设计方案节省了部分零部件和材料。

对于相同容量的储能系统，采用 GaN 设计方案可以使芯片尺寸更小、支持电流更大、且能确保开关元器件的高频率稳定运行，在储能系统的层级，这一特性可以支持减少零部件设备数量，从而显著降低原材料成本和储能系统整体造价。

交流侧作为电力能量转换的核心部件，尤其需要通过提升功率来降低能耗，因而也更依赖 GaN 材料，而且这种技术应用场景不仅限于储能、也同样适用于光伏。

TI 基于 GaN 开发的光伏逆变器 (TIDA-010938)，直流功率可高达 10kW，在保持高转换效率的同时，还可以通过提升开关频率，减小无源器件的尺寸、重量和成本，且极大缩小了 PCB 板尺寸。该设计方案由两个串式输入组成，每个输入能处理多达 10 个串联的光伏电池板，另外还具有一个储能系统端口，用于处理 50V 至 500V 范围内的电池组；另外在单个实时 C2000TM MCU 支持下，可将设备功率密度提高 2 倍达到 2.5kW/L，使光伏逆变器更轻、更易于安装。

TI 适用于电池储能系统、基于 GaN 的 10kW 单相串式逆变器参考设计 (TIDA-010938)

此外，针对光伏领域高发的拉弧风险，TI 基于自研的 C2000™ 系列 TMS320F28P55x 芯片，融合边缘 AI 算法，以及 C2000 MCU 内部的硬件 NPU 加速单元，相较纯软件方案可以降低系统资源占用率，将拉弧检测速率提高 5~10 倍，最快可以在 0.5 秒内检测到拉弧信号并发出告警信息，破解当下拉弧检测所面临的各项难题。

TI 在太阳能应用中用于机器学习电弧检测的模拟前端参考设计 (TIDA-010955)

在全球能源转型变革中，各地频发的各类电力事故再次印证了，电池储能技术对于电网具有重要的支撑作用。而为了推动储能更好的应用，各类创新技术也更需要接受市场洗礼。从内部创新设计反向推动储能集成的升级，也许是推动储能产品“高效迭代进化”的不二选择。

关于德州仪器 (Texas Instruments)

德州仪器（TI）（纳斯达克股票代码：TXN）是一家全球性的半导体公司，从事设计、制造和销售模拟和嵌入式处理芯片，用于工业、汽车、个人电子产品、企业系统和通信设备等市场。我们致力于通过半导体技术让电子产品更经济实用，让世界更美好。如今，每一代创新都建立在上一代创新的基础上，使我们的技术变得更可靠、更经济、更节能，从而实现半导体在电子产品领域的广泛应用。