全球减排努力正在推动向电能转型，使其成为化石燃料的更清洁替代品。如今，电力在我们的日常生活中扮演着越来越重要的角色，为从电动汽车(EV)到交通系统的一切提供动力。

随着热泵的日益普及，电力也正在进入家庭供暖领域。与此同时，电网运营商正越来越多地将风能和太阳能等可再生能源纳入其能源结构。与可以全天候不间断发电的燃煤和燃气电站不同，这些可再生能源本质上具有间歇性——如果阳光不照射、风力不吹动，这些系统就无法发电。

这些情况和趋势正推动着电池储能系统(BESS)市场的强劲增长。传统上，BESS 主要用于大规模电网开发，而电池和电力电子技术的创新正在改变其规模、灵活性和成本。这些进步为日益广泛的应用创造了机遇和需求。

电力转换是 BESS 的核心功能，而双向充电(BDC)系统则代表了电力电子领域的一项重大创新。传统的 BESS 电力转换系统是单向的，需要为电池充电(交流/直流)和放电(直流/交流)分别配备独立的电路。然而，BDC 系统允许电流双向流动，为 BESS 开发商带来了诸多好处。

什么是 BESS?

BESS 的基本目的是储存电能，使其在需要时可用，无论其何时产生。BESS 由一组电池单元、相关的电力电子设备、控制系统和安全设备组成，其特性可通过储能容量(以千瓦时 kWh 为单位，即电池可储存的能量)和功率能力(以千瓦 kW 为单位，即电池输送或接收功率的速率)来表征。

表1

BESS 的规模因最终应用而异，可分为表前(FTM)和表后(BTM)两类，见表1。

表前(FTM)

表前(FTM)——或称电网级——BESS 为电网或场外地点供电，主要由公用事业公司、电网运营商和可再生能源开发商部署。FTM BESS 在能源行业有多种用途，例如平衡电网中的能源供需、提供辅助服务，以及越来越多地用于整合风能、太阳能和潮汐能等可再生能源。

电网级 BESS 可储存超过 1,000 千瓦时的能量，并可能占用大片土地;它们日益被视为国家能源供应的关键组成部分。例如，Fidra Energy 的 Thorpe Marsh 项目是英国最大的 BESS 项目，装机容量为 1,400 兆瓦(3,100 兆瓦时)，占地 55 英亩，最终将拥有足够的容量，在用电高峰期满足 80 万户家庭的供电需求。

表后(BTM)

表后(BTM)BESS 为住宅或企业等现场地点供电，应用包括电动汽车充电基础设施、电信网络、数据中心和住宅储能。商用 BTM 系统的容量范围从 20 千瓦时到 1,000 千瓦时，而住宅 BESS 通常在 5 千瓦时到 20 千瓦时之间。BTM 系统的物理尺寸范围从家用冰箱大小到多个集装箱大小。

随着这个快速增长的市场吸引着越来越多的投资和激励措施，BESS 技术的创新正推动灵活、可扩展且高度便携系统的开发，创造新的机遇并实现新的应用。

能量密度提升驱动 BESS 创新

过去 15 年来，BESS 领域经历了快速发展，能量密度(BESS 的关键特性之一)显著提高。更高的能量密度使得在给定占地面积内能储存更多能量，这带来了多重优势。土地征用和建设成本降低，高容量 BESS 的运输也变得更加便捷和经济。

图1

2010 年代初期的公用事业规模固定式储能装置通常安置在大型建筑物内，如今正让位于集装箱式 BESS(图1)，尤其是在 BTM 系统中，其应用范围从采矿、建筑到电动汽车充电基础设施。

集装箱式 BESS 被设计成可运往偏远地区，例如采矿或建筑工地，用于为设备供电，然后再返回现场充电。更高的能量密度使移动式 BESS 能够提供更长时间的电力，减少停机时间和运输成本。

BESS 也可安装在电动汽车充电站，以平抑高峰充电时段对本地电网连接的影响。在充电站周围空间通常有限的情况下(例如在城市地区)，BESS 的物理尺寸就很重要。要理解能量密度的这种演变，简要了解 BESS 的工作原理会有所帮助。

BESS 内部窥探

BESS 内部的关键子系统包括电池模块、电池管理系统(BMS)、能源管理系统(EMS)和电力转换系统(PCS，图2)。

图2

虽然所有这些子系统协同工作以实现 BESS 的整体效率和能量密度，但两个特定领域的发展对能量密度的提升做出了显著贡献。

电池化学的进步

作为主要储能单元，电池电芯是 BESS 的核心，近期电池化学的进步主要集中在提高能量密度、充电速度和安全性方面。固态电池，包括锂硫电池和锂空气电池，具有比液态电解质更高的能量密度和更好的安全性，正成为传统锂离子技术的替代选择。

电力电子的演进

电力转换系统(PCS)在将输入电源转换为可为电池充电的形式，以及将储存的能量转换回适合电网或其他负载(如机器或电动汽车充电站)的输出形式方面起着至关重要的作用。

电力电子设备执行这些转换，自 2010 年代初以来，电力电子领域已取得了显著发展。电力转换解决方案采用开关半导体和无源元件的组合，以各种拓扑结构排列，并与控制设备配对，通过开通和关断半导体来实现所需输出。

硅(Si)mosfet 和 IGBT 器件因其低导通和开关损耗，多年来一直用于电力转换。在对更高效率和功率密度的不懈追求中，这些硅器件的开关速度限制最终被触及，设计人员越来越多地转向碳化硅(SIC)等宽禁带技术。

在这些半导体技术发展的同时，拓扑设计和控制策略的进步也带来了更灵活、更创新的电力转换解决方案。电力电子领域的一项具体发展——双向充电(BDC)——对 BESS 产生了变革性影响。

双向充电——变革 BESS

传统的电源管理解决方案只能单向传输电力，即从交流电网到直流电池，反之亦然。这种限制迫使 BESS 开发商在设计中包含两个独立的电力转换电路，这增加了 BESS 的整体成本、复杂性和尺寸。

图3

然而，BDC 解决方案使用单个电路进行交流-直流和直流-交流转换，为 BESS 开发商带来了多重好处，包括减少空间、重量、功率和成本(SWaP-C)，以及降低复杂性。因此，BDC 系统更易于实施，物料清单(BoM)成本更低，并且可以通过并联多个电路轻松扩展。常见的 BDC 拓扑包括降压-升压转换器(图3)和双有源桥(DAB)转换器(图4)。

降压-升压转换器因其设计简单且易于控制，通常被选用于双向直流/直流转换，而 DAB 转换器在需要隔离的应用中很受欢迎。其他值得注意的 BDC 拓扑包括 CLLC 转换器、移相全桥(PSFB)转换器和图腾柱 PFC。

图4

双向充电还需要复杂的控制算法来管理充电和放电周期;现代解决方案采用先进的控制策略，如线性自抗扰控制(LADRC)。

结论

随着我们将可再生能源和电动汽车电池整合到能源生态系统中，并支持日益广泛的 BTM 应用，BESS 在我们的社会中发挥着越来越重要的作用。电力转换拓扑的演进对于满足对更灵活、更高效储能解决方案日益增长的需求起到了关键作用，而 BDC 为 BESS 开发商带来了显著的空间、重量和成本优势。

正在进行的对双向转换器拓扑和控制策略效率的研究工作，将持续提升 BESS 及相关设备的整体可靠性和使用寿命。