如何借助可再生能源为电池充电

以更广泛的视角来看待储能系统 (ESS)，那么不管能量怎么储存、在哪里储存，你都能看到三个主要的功能角色。这三个角色分别是：1）能量源与储能装置之间的连接路径，通常是电池储能系统 (BESS)，当然也可能有其他形式；2）中心储能装置及其管理；以及3）储能装置与负载（最终用户或电网）之间的直流/交流逆变器（图1）。在许多装置中，其能源是可再生的，要么基于太阳能和光伏（PV）电池，要么基于风能方案。

图1：简单来说，面临的挑战是电池接收并蓄入来自各种来源的能量，再通过直流/交流逆变器将能量传输到负载中。（图源：作者）

了解ESS中的能量和电能流动非常重要。ESS在有能量可用时即进行收集（无论是可再生能源还是传统能源），再根据需要将其分配为负载的电源。请注意，尽管“能量 (energy)”和“功率 (power)”在日常讨论中常常会被混用，但它们却指代不同的东西。从物理学角度来看，能量代表做有用功的能力，用焦耳或瓦时来衡量，而功率则是单位时间内产生或消耗的能量，用瓦来衡量。它们在数学上是有关联的，能量是功率的时间积分，而功率是能量的时间导数。

对于诸如太阳能或风能等可再生能源，能源具有间歇性和不可控性，而负载和用户的功率需求则更具一致性和可预测性。这意味着能源与负载之间的储能电池及其管理系统必须对收集到的能量进行调节，以满足供电需求。

容量决定构架

如何才能让能量从源头转移到基于电池的储能系统中，然后再输送至负载？ 没有统一的答案，因为这是一个多因子函数，涉及到能源的性质和大小（瓦时和间歇性）和功率需求（瓦数和使用周期）。此外，两种最常见可再生能源（太阳能光伏 (PV) 和风能）的分类也有所不同。

就太阳能而言，根据常用的市场细分方式k呃分为三大块：

• 家用：功率不超过10kW的私人空间
• 商用：最高5MW功率的办公楼和工厂
• 公用事业：安装在野外，功率超过5MW

同样，商用风能也有不同的市场细分。原因是，尽管可以建造一个小型风力系统作为一个“个人”项目，例如一次性家用用途，但一般来说，小型风力系统在经济上不可行，从技术上来看也不高效。它们的前期成本很高（比如塔和基座），而物理特性表明效率随叶片尺寸呈指数级增长。在实际应用中，基础单塔和涡轮风力系统的额定功率为1至5MW，而较大机组的额定功率可为5MW及更高。

对于光伏系统而言，提高功率水平并非只是单纯并联几个同样的装置那么简单。这种方法虽然奏效且可行，但功率的提高水平取决于诸多其他因素，这时需要不同的拓扑。

这就好比在船上安装了一个10马力舷外发动机，但又发现需要更多马力。增加相同的引擎直到达到20马力，然后30马力，以此类推，并连接适当的燃料供应线路和电力起动电源电缆，从而实现高度模块化和可扩展性。原则上这完全行得通，但在某种程度上来看，安装大量引擎阵列会引起机械、互联和安装问题。因此，切换到单个更大马力（如50甚至100马力）的装置更为合理。

太阳能和风能：完全不同的能源

太阳能和风能系统及其功率级别细分还有另一个根本区别。基础PV能源（太阳能电池板）由多个单独的PV电池构成，可产生几伏或小几十伏的相对较低输出量级，可将电池板串联起来扩容，以产生更高的使用效率。

相反，风力驱动系统的基础发电机本质上可产生更高的电压。虽然这在许多方面都更有效，但这也意味着风能系统的输出粒度（步长）更大。这两种方法在原则上都呈模块化，但光伏系统的步长比风能系统小得多。因此，通过增加或减少PV电池板及相关电路的数量，即可根据应用需求定制太阳能系统的大小。

接下来，我们将重点介绍家用甚至小型商用装置基于PV的BESS系统，因为这是一个普遍使用、小规模可管理、可扩展（在某种程度上）和具有代表性的场景。它还可为大规模太阳能发电厂提供一些经验。

给电池充电

电池中的能量可以与基于电网的可用电源一起使用，为峰值功率需求或紧急备份提供支持，具体取决于系统目标（图2）。换言之，若系统“断电”或停电，电池电能则是负载的唯一电源。

图2：这张高级框图显示为本地负载以及（可选）电网供电的完整太阳能储能系统所需的关键功能。（图源：英飞凌）

无论是电网还是非电网应用，光伏电池板与蓄电池之间的电气接口是具有降压、升压或降压/升压特性的直流/直流转换器。具体使用哪一个取决于PV输出的相对最大电压与电池阵列的最大电压。

理想状态下，所有太阳能电池板都具有相同的特性，太阳能量保持恒定，所有电池化学成分都具有相同的属性，所有工作点和参数都是静态的，保持固定不波动，因此可简化构想最优设计的过程。

当然，现实却并非如此，太阳能电池板还有一个额外考虑因素。PV电池输出中的最大功率首先传输给直流/直流转换器，然后在最大功率点 (MPP) 时再传输给储能电池，此时电源与负载相匹配。太阳能电池产生的电流与它所接受到的阳光量成正比，而其开路电压保持相对恒定。每条曲线拐点处的功率输出最大，此时电池从恒定电压器件转换为恒定电流器件，如（图3）的功率曲线所示。

图3：当电池从恒定电压器件转换为恒定电流器件时，太阳能电池板的功率输出最大。（图源：Analog Devices）

MPP是一个特定参数函数，包含PV电池板、照射其上的太阳能以及环境温度和其他因素。充电器设计如要能有效地从太阳能电池板提取能量，就必须在照明水平不能支持充电器全功率需求时，将电池板的输出电压“驾驭”在最大功率点上。

这种情形大致类似于实现传统电路级之间的最大功率传输。这种情况下，通过确保负载阻抗和能源阻抗彼此复共轭，才能保证这两个阻抗相互“匹配”，但PV电池除外。“能源”阻抗不是恒定的。

因此，为了在使用过程中从PV面板中提取最大功率，必须跟踪MPP且动态调整电池板负载以达到匹配目的（图4）。这一行为被称为最大功率点跟踪或MPPT，需要一种策略或算法来确定MPP，然后再对其进行跟踪。通常有两种技术可以做到这一点。

图4：基本的MPP管理（此处用于铅酸电池）需要根据情况调整直流-直流转换器，因为电池板负载取决于电池板的输出。（图源：ResearchGate）

维持峰值功率点电压 (VMP) 最基本的方法是根据制造商指定的开路电压 (VOC) 将面板电压设置为恒定的电压水平。

最直接的方法就是将电池板电压设置为电池数据手册提供的电池开路电压 (V_OC) 所确定的恒定电压水平。典型的太阳能电池板是多节正偏p-n结电池串联，因此可视为具有类似于p-n二极管的电气特性，包括V_OC和温度系数（通常约为2mV/°C）。

太阳能电池板的峰值功率点电压 (V_MP) 预估为稍低于V_OC的固定电压值。为简化这种方法，我们将V_MP时的温度系数视为等同于V_OC时的温度系数，并视其在预期温度范围内呈线性变化。通过这些近似值，可用一个简单的温度补偿电阻网络将电池板电压设定为V_MP。

提供模拟与电源产品线的IC供应商供提供了采用这种恒压方案的小型低成本设备，在适当的环境和限制条件下，这种方案可以说是合理有效的。例如，Texas Instruments BQ24650 和Analog Devices/Linear Technology LT3652提供了基于这种恒压方法的MPPT。

BQ24650器件是一款高度集成的降压模式开关电池充电控制器，在3.5mm×3.5mm 16引脚QFN封装中提供输入电压调节（图5）。该器件在600kHz开关频率下工作，支持5V到28V的太阳能电池板以及锂离子/聚合物、LiFePO4和铅酸化学物质。在运行中，输入调节回路降低充电电流，因此太阳能电池板可提供最大功率输出。同时，用户可通过单个电阻器对“浮充”电压进行设定。

图5：BQ24650是一款可实施基础MPPT管理的基础电池充电控制器。（图源：Texas Instruments）

MPPT的另一种更高级方法称为“扰动观测法” (P&O)。之所以使用这种方法是因为，公认更简单的恒压方法不能提供最大效率，因为PV短期和长期情况会发生变化（由于云端技术和老化等诸多因素）。P&O MPPT的原理是评估功率变化与电压变化的斜率 (ΔP/ΔV)，该斜率在MPP左边为正，右边为负。动态MPPT算法通过有意在正常值上下轻微“扰动”电池板负载，然后再观察输出中的变化（无论是好的变化还是坏的变化），从而找出MPP中的任何变化。

实现该算法的芯片是STMicroelectronics SPV1040，一款低功耗、低电压单片升压变换器，输入电压范围为0.3V至5.5V，采用8引脚3x4.4mm TSSOP8封装。它可最大限度地利用太阳能电池（甚至燃料电池）产生的能量，其中低输入电压处理能力至关重要（图6）。

图6：SPV1040 IC为MPPT提供了更复杂的“扰动观测”方案。（图源：STMicroelectronics）

其嵌入的MPPT算法可在从电池中收集电能并传输至输出的过程中实现尽可能高的效率，不受辐射、尘污和温度等环境条件变化的影响。该器件一旦完成启动模式，就会开始执行MPPT模式，以搜索最大功率点。扰动观测算法基于对太阳能电池所提供电压或电流的监测。PWM信号占空比根据输入功率的趋势逐步增大或减小（图7）。

图7:SPV1040中嵌入的MPPT法评估光伏电池板正常工作点周围的功率变化与电压特性变化斜率。（图源：STMicroelectronics）

取出电能

将能量输入到电池仅仅是BESS挑战的一部分。BESS的重点是将蓄电池的累积功率输送到负载，通常为120/240V交流线路，再供各种线路供电设备和系统使用。

这就需要直流/交流逆变器，该逆变器将电池的直流输出转换成与线路兼容的交流电。就像电源和电池之间的电子器件一样，该逆变器并不是“统一规格”的装置。逆变器的拓扑与设计有其自身的考量因素，存在诸多设计挑战和取舍点。尽管没有正式的定义，但它们常常被分成三个功率与特性类别：

• 微型逆变器，一种低功率配置，功率范围介于50W至400W之间。在每个太阳能电池板中集成有单独的逆变器和MPP追踪器，比逆变器串更高效。需要的直流布线非常少，但需要大量交流布线。总体而言，仅适合小型系统，经济实惠。

• 逆变器串，一种中功率配置，功率范围介于1kW至20kW之间。此方法中，太阳能电池板与多个逆变器串联（逆变器串），通常每串对应一个电池板。这种方式可提供较高的效率，因为每一个逆变器串都能够在其最大功率点工作。

• 中央逆变器，一种高功率配置，功率达20kW及以上。这里，多个串（串接耦合太阳能电池板）并联连接，其中一组太阳能电池板只需一个逆变器。然而，还需要特殊二极管来支持不同的串电压。这些二极管是损耗来源，因此效率低下；此外，并不是所有的太阳能电池板都能被驱动到最大功率点。

结语

和许多系统一样，在概念上看似简单的东西在实际应用中却复杂得多，特别是能源的多少和能源的一致性随时会发生难以预测的变化，系统功率水平也会增加。通过简单的控制器将太阳能电池板连接到电池，再将电池用于供电，这样的做法在某些情况下可能会奏效，但同时也会发现诸多性能缺陷、安全问题和效率问题。相反，必须为能源到蓄电池的路径、电池管理、传输到负载的直流/交流逆变器选择和优化合适的直流/直流拓扑，确保性能效率、一致性、长寿命等等。

作者简介

Bill Schweber是一名电子工程师，他撰写了三本关于电子通信系统的教科书，以及数百篇技术文章、意见专栏和产品功能介绍。在过去的职业生涯中，他曾担任多个EE Times特定主题子网站的网站管理员兼EDN的执行编辑和模拟技术编辑。他负责技术公共关系职能两个方面的工作，既要向媒体展示公司产品、故事和信息，同时又要收集这些信息和内容。

他拥有哥伦比亚大学电子工程学士学位和马萨诸塞大学电子工程硕士学位，是注册专业工程师，并持有高级业余无线电执照。他还规划、编写并演示了各种工程主题的在线课程，包括MOSFET基础知识、ADC选择和驱动LED。