SiC技术如何提高电池储能系统性能

储能系统（ESS）是一种储存能量以供后续使用的技术，这些系统可以捕获一次产生的能量，并在需要时提供可靠的供应，这一过程对于维持稳定的能源供应、优化能源使用和有效整合可再生能源至关重要。

ESS涵盖了广泛的技术，包括机械、热和化学存储解决方案。电池储能系统（BESS）是ESS的一个子集，是一种利用电池阵列储存电能的能源储能系统，其使用和安装规模可以从小型住宅用户直至大型公共电网。

储能系统的价值及市场前景

储能系统具有广泛的优势，从节省资金到环境效益等多个方面，均可对个人用户和整个电网产生重大影响。以下是储能系统越来越受欢迎的一些关键原因：

推动可再生能源一体化

储能系统对于将太阳能和风能等可再生能源有效整合到电网中起到关键作用。由于可再生能源是间歇性的，很难并入现有电网使用。ESS通过在发电量超过需求时储存剩余能源，并在可再生能源产量低时供应，提高了太阳能和风能等可再生能源的可行性，有助于保持稳定可靠的能源供应。

节约成本

通过在低需求、非高峰时段储存能量，并在高需求时段释放电力，ESS可以减少电网的峰值负荷压力，降低电力成本。这种策略也被称为负载转移，有助于平滑能源消耗，为住宅和商业用户节省大量的水电费。随着储能电池价格的持续下跌，ESS的使用成本会越来越低。

增强电网稳定性和弹性

ESS在稳定电网方面发挥着至关重要的作用。ESS可用于通过提供频率调节和负载平衡来稳定电网，随着更多间歇性可再生能源被整合到电网中，这一点尤为重要。此外，在停电或电网故障时，储存的能量可以提供关键的备用电源。对于住宅和商业用户而言，ESS可以减少他们对电网的依赖，从而拥有更大的能源独立性。

环境效益

ESS的日益普及可以成为全球应对气候变化努力的重要组成部分，该技术的应用可助力向更清洁、更可持续能源的过渡，有助于碳减排目标的达成。

目前，全球储能系统市场正处于爆发期，据彭博新能源财经预测，到2035年全球新增装机容量将达955GWh，年复合增长率为17%。从区域分布看，中国、北美、欧洲是储能系统的主要市场，中国的占比将超过40%。在技术方面，锂离子电池尤其是磷酸铁锂将占据主导地位，其市场份额将提升至80%以上，而液流电池、钠离子电池等新兴技术也在逐渐商业化。

未来十年，储能将成为能源转型的核心支撑，为全球碳中和目标提供关键技术保障。国际能源署（IEA）提出，为实现全球碳中和目标，到2030年全球储能系统市场规模需扩大六倍，其中电化学储能（以锂离子电池为主）将占新增容量的90%。

电池储能系统的核心组件

电池储能系统（BESS）可为电网提供削峰填谷、负载平衡以及停电时的备用电源等服务。其关键组成部分包括可充电电池模块、功率转换系统（PCS）、电池管理系统（BMS）以及能源管理系统（EMS）。电池（如锂离子电池或铅酸电池）用于储存能量，功率转换系统有时也称作变流器，主要负责将电池组连接到电网和负载。

电池模块

作为BESS系统的核心，电池的作用是按需存储和释放能量。锂离子电池因其高效率和高能量密度在应用中极为常见。根据实际需要，也可以使用铅酸蓄电池和液流电池等其他类型。

电池管理系统（BMS）

BMS是BESS电池的关键组成部分，它通过监测和管理充电和放电过程来确保电池的高效安全运行。例如，BMS可监测电池组中每个电池的电压、电流和温度，确保所有电池均以相同的速率充电和放电，这种平衡行为可防止任何单个电池过度充电或过度耗尽，以致影响电池寿命甚至产生安全隐患。为了达到更高的安全性，在BESS电池系统中，有时还会配有监控系统和热管理系统。监控系统从传感器和BMS收集数据，并允许远程监控系统的性能和状态。热管理系统可将电池温度始终保持在工作范围内，并使用风扇、泵、热交换器等组件，用于循环冷却液以加热/冷却电池组。

功率转换系统（PCS）

PCS负责将储存的能量转换为可用形式，其中涉及将电池的直流电（DC）转换为大多数电气设备使用的交流电（AC），反之亦然。具体器件包括将DC转换为AC的逆变器以及相反的整流器。高效的功率转换对于极大限度地减少能量损失和确保一定数量的存储能量至关重要。

能源管理系统（EMS）

通常为监控和控制存储系统能量流入和流出的软件，通过实时数据与控制，确保系统高效运行，延长电池寿命，并增大经济效益。

从本质上讲，BESS中的每个部分都是相互连接的，数据在BMS、EMS、逆变器和热管理系统之间传送，以确保高效安全的储能和放电。当所有这些组件同步工作时，BESS电池提供了一种高效可靠的储能解决方案，在优化能源使用和降低成本的同时提供持续的电力供应。

SiC：提高BESS效率的能效引擎

在实际应用中，设计一个高效能的储能系统存在诸多挑战，包括管理成本、技术性能优化以及应对监管要求等诸多因素。碳化硅（SiC）作为第三代半导体材料，凭借高开关频率、低损耗、耐高温和高功率密度等特性，在电池储能系统中展现出显著的应用优势。

在高效能量转换方面，SiC MOSFET的开关损耗比传统硅基IGBT低70%以上，导通电阻（RDS (on)）降低50%，因此可将PCS效率从98%提升至99.5%以上。由于SiC器件的结温可达175℃，远高于硅基器件的125℃，大大降低了散热系统的复杂度。此外，SiC的高开关频率（≥100kHz）可减小电感、电容等外围元件的尺寸，使PCS的体积缩小30%-50%，重量降低40%，有助于储能系统的小型化。

综上，使用SiC器件进行设计为储能系统设计带来的好处是全方位的，包括显著的成本降低、增强的技术性能，同时还能轻松应对强大的监管合规性。SiC的高开关频率和功率处理能力可确保储能系统与电网的无缝集成，通过降低冷却要求和更小的无源元件降低了系统的体积和成本，而其卓越的效率即满足了严格的安全和性能标准，同时减轻了系统的整体运营成本并延长了使用寿命。

SiC在BESS中的核心应用可促使功率转换系统（PCS）实现革命性升级。在三相并网逆变器中，SiC替代传统IGBT +二极管方案，主要用于电网侧、电源侧储能的交直流转换，可将开关频率从20kHz提升至50kHz，滤波电感体积减小60%，系统成本降低15%，并且支持更宽的输入电压范围。在DC-DC转换器中，采用SiC肖特基二极管，可消除传统硅二极管的反向恢复损耗，使双向DC-DC效率提升至98.8%，尤其适合锂电池与超级电容混合储能系统。

通过提升能量转换效率、缩小系统体积、增强环境适应性，SiC器件正在重塑BESS的技术架构。从电网侧大型储能电站到用户侧的商业储能，SiC的应用已从技术验证进入规模化商用阶段。随着产业链成熟与成本持续下降，SiC有望成为下一代储能系统的核心半导体器件。以下是几款可用于电池储能系统的SiC产品：

Onsemi的650V Elite SiC MOSFET （NTH4L015N065SC1和NTBL045N065SC）是取代储能系统应用中硅基开关的理想选择，适用于三电平I型NPC拓扑结构，这种拓扑常用于大功率工业应用中的逆变器。BESS大型装置由若干个三相子系统组成，功率范围从几十千瓦（kW）到超过100kW不等，这些SiC MOSFET均可满足需求。

Onsemi的1200V Elite SiC功率集成模块NXH40B120MNQ0为双升压模块，包含两个40mΩ/1200V SiC MOSFET和两个40A/1200V SiC二极管，具有较低的传导损耗和开关损耗，在公用事业规模的BESS中提供更高的功率密度。

电池储能系统的挑战

虽然BESS的好处显而易见，但仍有几个挑战需要加以关注：

储能系统是向更可持续、高效和有弹性的能源未来过渡的有力工具。虽然有各种挑战，但对许多用户来说，其带来的好处远远大于缺点。随着技术的快速发展和成本的下降，BESS变得比以往任何时候都更容易获得。

展望ESS的未来

在能源管理领域，ESS不仅是一个流行语，目前已经成为平衡能源供需的基石技术。储能技术的未来看起来非常有希望，在千亿美元前景的储能市场，固态电池的发展备受关注，它有望进一步提高ESS的能量密度和寿命，同时降低过热和火灾的风险。如果固态电池在商业上可行，它们将大大降低系统成本并提高ESS的性能。

人工智能（AI）驱动的系统智能化是ESS市场值得关注的另一重要技术进步，AI可以预测能源消耗模式，优化电池性能，并自动调整能源使用以实极最高效率。

ESS在当今的能源格局中正在扮演重要的角色，在平衡能源供需、提高电网稳定性和推进可再生能源采用方面发挥着关键作用。ESS允许在需要时储存和使用太阳能、风能或其他可再生能源产生的能量，克服了能源间歇性的挑战，正在成为全球向可再生能源转变的推动力。SiC是电力电子领域的一项革命性技术，凭借其优越的性能，有望大幅提高ESS的安全性、效率和整体性能，帮助解决ESS设计过程中的诸多技术和成本上的挑战。