在能源轉型的浪潮中，如何高效整合太陽能、儲能與電動汽車充電設施，已成為行業亟需突破的難題。本期高端訪談，電源網對話德州儀器(TI)系統工程師嚴駿華和德州儀器(TI)系統工程師凌博文，從芯片級技術到系統級設計，解析光儲充系統如何通過智能化與高效率設計，重塑未來能源網絡。

嚴駿華 德州儀器 (TI) 系統工程師

目前擔任德州儀器 (TI) 系統工程師，負責工業電池包方案系統支持，涉及行業多家知名客戶，從事電子行業研發及系統設計 9 年。在工業電池包領域推出過多個成熟方案，且在持續關注鋰電池儲能系統的市場和技術發展。

凌博文 德州儀器 (TI) 系統工程師

目前擔任德州儀器 (TI) 系統工程師，負責光伏逆變器，功率優化器等方案系統支持，與行業多家客戶進行合作。

在過去的數年可以明顯地感受到，我們正經歷著一場能源轉型，這場轉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構中所占比重不斷上升，半導體正在成為我們發電、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，到為電動汽車提供安全功能和電池管理系統，半導體正在推動更為高效的能源運作，進一步為光伏、儲能、電動汽車充電行業賦能，使系統更加智能、可靠、安全和高效，助力并加速電氣化發展。

源網側、工商業及戶用光伏系統、儲能系統以及電動汽車充電網絡等基礎設施迅猛發展，可再生能源的獲取、儲存和使用需求持續增加，也對系統設計中對能源的監測、控制和管理提出了更高要求。因此，關注儲能系統的發展至關重要，包括電池管理系統 (BMS) 和氮化鎵 (GaN) 功率半導體在內的技術有助于穩定電網并優化能源使用效率。此外，半導體還支持制造業中的預測性維護、機器人技術以及智能化的能源使用，從而盡可能地減少停機時間并提高產能。在交通運輸領域，半導體不僅能夠用于調控電動汽車充電樁的充電時序與能效，更能優化車載電池內部的能量流動，從而降低電氣化轉型的難度與成本。

德州儀器重點關注光伏、儲能、電動汽車充電樁以及電網現代化等各個環節，我們的模擬和嵌入式處理產品和解決方案，被應用于能源從產生、儲存到使用的全生命周期，助力系統設計更可靠、更安全、更高效，致力于創新電氣化發展，共赴可持續未來。

AI 數據中心對能源生產存儲使用的需求

當今環境動態變化，決策已來不及等待云端響應。無論是需求激增、電壓驟降還是天氣相關干擾，都需要在本地快速做出反應。這正是邊緣人工智能 (AI) 成為現代能源基礎設施基石之一的原因。而隨著高性能計算和 AI 的采用率越來越高，數據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。全球數字基礎設施供電領域開始使用更智能、更高效的半導體，先進的芯片驅動著人工智能的計算能力，而模擬半導體則是提高能源效率的關鍵，在控制和管理電流、電壓、溫度、光和聲音等真實世界信號方面發揮著重要作用。它們不僅有助于控制傳輸電力和驅動電機，也是實現高效能源系統的關鍵。

基于此，TI 正不斷通過創新的半導體技術提升可再生能源的可及性并支持其未來發展，以可靠、安全且可擴展的電力解決方案，賦能光伏發電、儲能系統和邊緣自動化等能源系統。

光伏

TI 先進的數字電源轉換、電流和電壓檢測產品以及連接和通信解決方案能夠加快節能、可靠的太陽能系統的開發，從而并幫助工程師將其與儲能系統和電動汽車充電基礎設施等電網連接資源集成。

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

–通過實現更快的開關速度與更高的功率密度，TI 基于 GaN 的場效應晶體管 (FET) 使工程師能夠設計更緊湊、更高效的光伏逆變器，減少能量損耗并簡化整個系統的空間布局。

√TI 基于GaN 的 10kW 單相串式光伏逆變器參考設計 (TIDA-010938) 由兩個串式輸入組成，每個輸入能處理多達 10 個串聯的光伏 (PV) 電池板；還具有一個儲能系統端口，用于處理 50V 至 500V 范圍內的電池組，并由單個MCU (包括軟件示例) 提供支持，實現高達 10kW 的雙向功率轉換。在保持高轉換效率的同時，該參考設計還可以提升開關頻率從而減小尺寸，并助力設備功率密度提高 2 倍達到 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 或專用 ASIC 即可運行。

√在新型單級變換器參考設計 (TIDA-010954)中，TI 的 GaN 器件以高開關頻率運行變換器，憑借 GaN 的極低輸出電容 COSS，可以帶來更低的關斷損耗，同時實現更寬的零電壓開關范圍。而 Cyclo 變換器作為一種軟開關拓撲，低導通電阻 (RDSON)  助力進一步降低導通損耗，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 的持續開發，更準確和更可靠的電流檢測技術可以讓電網在收集能量時更安全、更高效。近年來，太陽能逆變器系統出現了使用貼片霍爾效應電流傳感器來替代傳統穿孔傳感器的趨勢，并廣泛應用于串式逆變器、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實現精確的電流測量，其一體式封裝設計也有利于緊湊的設計，降低對隔離性能的影響、以及系統的復雜性或成本，有利于提升太陽能系統的性能、效率和可靠性。

——光伏領域的太陽能電弧故障檢測

?TI 在太陽能應用中使用機器學習的電弧檢測模擬前端參考設計(TIDA-010955) 使用 TI 的 C2000 產品 F28P55x，集成了具有邊緣 AI 算法的 C2000™ MCU，以及用于收集電弧數據、訓練嵌入式 AI 模型和驗證系統的不同軟件工具。該嵌入式 AI 模型經過訓練可以識別電弧，與傳統的電弧檢測方法相比，這種方法提供了強大的運算能力，能夠以更少的計算工作量實現更高的精度，幫助系統實現超過 98% 的故障檢測準確率，提高太陽能系統安全性和可靠性。該產品集成了神經網絡處理單元 (NPU)，能夠使推理速度提升 5~10 倍，助力實現更快、更準確的決策。

儲能

隨著可再生能源發電的擴張和電氣化帶來的需求增長，儲能對于在分散式電網中平衡供需及降低消費者能源成本變得至關重要。為實現高效運作，這些儲能系統必須能夠實時監控、管理并響應不斷變化的運行狀況，而這些能力的實現直接依賴于半導體技術。

在現代 BESS 中，電池管理系統 (BMS) 如同電池組的大腦，監測電壓、電流和溫度等參數，并深入了解充電狀態（評估可用剩余電量）和運行狀況（評估電池芯的整體狀態和老化程度）。通過提高電池監測器的精度并增強系統級安全性，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，電池管理系統依賴高精確度模元件擬來監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據，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模儲能系統的安全運行。

–電化學阻抗譜(EIS) 能夠測量復阻抗，更好地跟蹤電池狀態，從而更好地估算電池的 SOC、SOH 和溫度，防止熱失控并及早發現內部短路。

–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，從而延長儲能系統的使用壽命。

——TI儲能產品的技術優勢：

–高精度電池電壓測量：TI 的BQ78706 能夠在 -40℃~125℃ 范圍內實現±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。

——TI 針對儲能應用提供的BMS方案可以通過以下方式減少事故發生：

–高精度電池電壓和溫度測量：TI 的BQ78706 能夠在-40℃~125℃ 范圍內實現±2.4mV 的電池電壓測量精度。將 TMUX1308 與 BQ78702/BQ78706 配合使用，可以擴展BQ78702/BQ78706的溫度監測通道，使每個電池溫度得到監測，從而防止電池出現熱失控。

–冗余電池電壓和溫度測量：TI 的BQ78706 集成了獨立的 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 采用環形通信結構，可防止斷線時，出現通訊中斷故障。

–使用TI 的 BQ79731-Q1 準確測量電池組電壓、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有以下技術投入：

–在當前電池技術由鋰離子電池轉向 LiFePO4 化學電池及更先進的方案的趨勢下，BMS 系統提供精確的數據監測，并實現所有 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定電網運行、或在斷電期間提供穩定的備用電力支持。TI 的BESS 架構適用于基于鋰離子和 LiFePO4 電池的高壓 (1,500V) 電池系統，包含多套完整系統解決方案的參考設計：

√TI 高達1500V 的高壓鋰離子和磷酸鐵鋰電池組組合參考設計 (TIDA-HVBMS-ESS-PLTFRM) 是適用于 1500V 電網級的儲能電池 BMS 硬件和軟件的系統平臺方案，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。這一方案可監控每個電芯的電壓、電芯溫度、總線電壓、并聯電流、絕緣阻抗，并保護可用性以確保安全使用。研發工程師可以自由選擇菊花鏈通信或 CAN 通信進行堆疊，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。

√適用于儲能系統的高達1,500V 的可堆疊電池管理單元參考設計 (TIDA-010279) 結合了多個電池管理單元，這些單元利用 BQ78706 堆疊式電池監測器通過冗余數據測量功能來檢測電池電壓、溫度。

√適用于儲能系統的1,500V 高壓電池架監測單元參考設計 (TIDA-010272) 是一種高壓監測單元，該單元采用 BQ79731-Q1 電池簇監測器來實現高壓電壓和電流的監控和測量，并集成冗余數據測量功能。

√電池控制單元參考設計 (TIDA-010253) 能夠可靠地驅動系統開關，從而幫助維持系統安全。

–隨著能源應用逐漸走向終端用戶側，戶用儲能（RESS）也日益成為重要發展方向。戶用儲能系統一般為 48V 或 800V 以下，采用的是低壓電池包的并聯實現擴容，通常使用背靠背低壓和較低成本 MOS 作為充放電的開關，因此就需要可靠和穩定的器件控制MOS的開通和關斷。低成本和輕量化逐漸成為低壓電池儲能設計時會考慮的難點。TI 也提供了面向戶用儲能場景的參考設計：

√面向 48V 至 1500V 儲能系統的高精度電池管理單元參考設計(TIDA-010247) 兼具性能和成本優化，采用 80MHz Arm® Cortex®-M0+ 核的 MCU——MSPM0G3519，具有512KB 雙組閃存和 128KB SRAM，外設支持 2 路 CAN-FD 和各 3 路的 I2C 和 SPI。大內存和豐富的外設使其適用于低壓 BMS 的系統設計中主控 MCU。同時，該參考設計采用堆疊式 BQ769x2 電池監測器系列的高側 N 溝道 MOSFET 控制（多達 32 節串聯）電池管理單元 (BMU)，設計了安全可靠的充放電 MOSFET 的驅動電路，可以驅動多達 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

-通過將支持AI 的處理能力嵌入電網邊緣的設備中，TI 的技術作為嵌入式系統的“大腦”，使工程師能夠構建無需依賴遠程服務器即可分析數據、檢測異常并實時響應的系統。這使得從變壓器到智能電表的各種設備都能夠更快地檢測故障、優化負載平衡并提升系統自主性。這些能力對于需大規模數據支持和驅動的能源管理系統至關重要。

-邊緣智能在增強電網彈性方面也發揮著關鍵作用。在分布式電網模型中，有數千個節點在發電、存儲和消耗電力。要使這樣的系統正常運行，每個節點都需要具備自我感知和自適應能力。我們的嵌入式處理器和模擬前端支持電壓檢測、負載平衡和自動控制，將響應能力融入硬件，使能源系統能夠隨工況變化而自適應調整。

-嵌入式處理器和連接解決方案還幫助電網運營商從各個智能電表收集準確的能源使用數據。這能夠實現更智能的能源使用，并提升用戶體驗。