系统级能量存储 (ES)

您是否曾经盯着汽车或某些手持电子设备中的电池，边看边好奇这有什么大不了的？随着电动交通迅速兴起并带动整个电子行业发展，人们似乎越来越常见到，这些设备不仅促进经济增长，还推动尖端设计创新，甚至对完整供应链（从原材料采购到报废回收）都有所改善。随着我们部署数十亿个微型系统，这些系统通常被称为物联网 (IoT)/工业物联网 (IIoT)，拥有通过一个微型电容器运行整个无线传感器网络 (WSN) 的能力，其前景令人兴奋不已，但与之交织的是每天向世界各地垃圾填埋场扔掉约 1 亿个电池的末日情景。

但即使人们开始注意到电池在许多关键应用和市场驱动用例中占据中心地位，他们可能仍然会关注这种外观简单、只有两个端子的直流电源，对于围绕电池的各种争论也很难解决。正如本文中即将描述的那样，文中列举大量原因解释为什么电池（以及整体的能量存储或储能）不应被视为理所当然。第一个显而易见的原因是，电子世界中的一切都离不开电，因此能够获取和储存能量是一项必要条件。也许直到最近十年左右，安全才成为人们最关心的问题，但几乎在任何应用中，安全都是一项关键的任务要求，因此，它可以与系统中最密集的能源紧密相关。在众多设计考量之外，还有一个策略可供采用，即在多个层面利用能量存储，以减少系统尺寸，最大限度延长正常运行时间，并降低整体基础设施（资本和运营支出 (CAPEX/OPEX)）的成本。

尽管这是一篇扎实的基础知识概述，但毕竟储能主题宏大，无法在一篇简短的白皮书中得到全面阐述。但是，即使从根本上来说，仅关注基础物理学也足以广泛覆盖从微机电系统 (MEMS)到大型公用设施级别的所有主要存储类别。能量可以从物理世界提供给我们的每种类型中进行存储和转换（即使并非总是实用），其中包括电化学反应（或其他电势方式）、热、光、射频 (RF) 或势能/运动/电动力学等类型。维基百科将“能量存储”[1] 定义为“…捕获一次产生的能量以供日后使用，目的是为了减少能量需求和能量生产之间的不平衡。”

虽然本白皮书将重点介绍系统级能量存储解决方案，但需要注意的是，认为所有形式的能源都遵循能量守恒定律，仅仅转换/转移过程中发生状态变化，通常伴随一定的能量损耗，是一种值得推崇的思考方法。这并不意味着要对热力学第一定律进行花哨解释，而是想作为一种鼓舞人心的口号，激励人们不断寻求能量存储和消耗的持续优化，以此作为一个首要长期的目标。

相比于系统进步的大多数其他方面，能量存储在其能量密度显著、代际改进的速率上是个例外。摩尔定律使得逻辑电路以指数级速度缩小，微机电系统 (MEMS) 可缩小并集成传感器，达到肉眼几乎看不见的程度。不幸的是，这种一代接一代的指数级改进对于能量存储解决方案来说并不是好兆头。能量存储直接受到化学和物理的限制，其容量往往每十年而不是每一年才能翻倍。总的来说，实施和优化能量存储解决方案的主要目标是保持化学反应良好，文中稍后会进一步讨论这意味着什么。

如前所述，能量存储在推动可持续电子产品发展和应对气候变化方面发挥着越来越重要的作用。即使是可充电电池，也往往含有有害物质，可能需要稀土元素，而储量在全球范围内供大于求（因此回收至关重要），并且可能会占用大量的垃圾填埋场空间。随着无线应用/设备的数量呈指数级增长，所有相关的能量存储也随之增长，从而加剧文中总结的可持续性挑战。要解决这一问题，一个明显的策略是尝试将不可充电的能量存储解决方案转换为可充电的能量存储解决方案，以减少大部分更换的工作量。鉴于如今人们对可持续性主题的关注度和重视程度不断提高，即使是那些对储能有着庞大需求（具备冗余设计）非常保守的行业也在寻找智能利用储能的方法，实现正常运行目标的同时，还能减少整体基础设施的影响。

既然标准已经设定，让我们将注意力转移到最普遍的系统级能量存储形式上——并思考其本质、处理方式，以及在优化系统设计时要注意的关键事项。

电池是一种电化学电容器，通过提供从阴极 (+) 迁移到阳极 (-) 的电子源，将电荷存储在不同材料的电极板上，从而在端子之间产生电位电流。这些不同的材料形成半电池电位，当结合在一起时，就形成电池电位（又称开路端电压）。正是如此众多不同材料的组合，使得电池和其他储能方式呈现出如此广泛的应用范围。

电池的特性完全取决于阴极、阳极和电介质材料化学性质。可用能量通过所谓的“氧化还原反应”（又称还原-氧化，分别指电子的获取和损失）产生，该反应由于电子转移产生自由能，从而释放能量。从化学性质到设备几何形状，设计的每个方面都会影响其能量性能和使用寿命。

电池也可称为湿电池或干电池（或“湿/干化学”）。这是指电介质材料的物理状态。如果是湿电池，则电介质在工作应用温度下呈液态。湿电池通常需要更小心地处理，以确保电解液不会溢出/泄漏，并且可能需要定期维护，比如汽车、船舶或家庭光伏 (PV) 系统中的铅酸电池。 干电池使用固态电解质，其中没有任何液体流动，所以往往比湿电池更适合独特的几何形状且安全性更高。一般来说，这是因为干电池不太可能在阴极/阳极之间发生短路，或在发生灾难性故障的情况下，将高温、有毒的电解质溅到人的脸上。还有一些混合选项，例如“凝胶电池”或半固体电解质（即锂聚合物或锂聚合物电池中使用的聚合物凝胶），但深入研究这些电池超出了本文的讨论范围。

电容器或电池的化学性质和类型不仅对系统的电气设计和管理非常重要，而且也是整个系统几何形状的决定性因素。上述特性可以决定您储能解决方案的任意数量的外形尺寸选项。这可能是储能设备最令人困惑之处，因为看似品质因数 (FOM) 非常相似的解决方案在尺寸、成本和性能方面可能会有很大差异。有些化学物质更适合在需要多次充电周期的高温环境下使用，而有些化学物质则更适合在安全环境或更有利于实现灵活性、符合特定结构形状的情况下使用。甚至几何形状也会随时间的推移发生变化，例如锂离子电池组中，随时间变化，由于氧化还原反应产生的气体积聚会导致电池发生膨胀。

值得注意的是，某些 FOM 的微小变化可能会对寿命产生重大影响，尤其是工作温度和放电率（这些只是其中的一部分，其他许多方面我们稍后会详细探讨）。例如，多层陶瓷电容器 (MLCC) 的直流电压额定值根据其分类和电子工业联盟 (EIA) 规范，会有截然不同的含义。虽然两个不同的 MLCC 在16 V 电压的电容额定值为 0.47 μF，容差为 +/-5%，并且能够在 -55 至 125°C 的温度范围内工作，但一个具有 X7R 额定值的 MLCC 在 12 VDC 下的实际电容值大约只有标称容值的 20%，而具有 C0G 额定值的 MLCC 在 12 VDC 下则约为电容值的 90%。这种差异在整个工作温度范围内也极为明显。

评估储能方案时，一个关键的考虑因素是储能设备的长期使用问题。工作环境如何（尤其是温度）？能够承受多少次充电周期？这种化学物质是否有特殊的充电要求，或者在电池组中平衡多个电池单元需要遵守特殊规定？有众多因素会影响到储能设备的实际（即非额定）电容和生命周期性能，这些因素也直接关系到安全和故障处理。

储能解决方案与 DC/DC 转换器密不可分。若无此类转换器，我们就无法充分利用储能系统的全部容量，实现最佳能量转换效率和最大可靠性。转换器应该用于稳定储能解决方案的输出电压，同时还应该体积轻巧（尤其是对于便携式设备)而言）并且支持宽输入电压范围，以充分利用电池或电容器的能量。高效的转换器效率将有助于实现所有这些目标，同时还能确保转换器本身不会因转换损耗而成为整个系统功率预算的主要负担。R-78B-2.0 和RPMB-2.0 就是符合这种要求的典型解决方案示例。.

谈到储能系统，人们常常将其分为一次存储与二次存储两种类型。这一分类依据是充电能力。一次设备被视为不可充电，而二次设备被视为可充电。这些术语经常互换使用（即，一次/不可充电或二次/可充电）。

除了可充电性这一显而易见的特点外，一次存储设备与二次存储设备之间的区别对于上述预览的许多操作和处理参数都很重要，下面会进行详细介绍。因此，这两种设备在技术操作和经济方面上必须区别对待。例如，二次电池的维护成本可能很高，但这必须和更换一次性电池的成本以及可能造成的服务中断进行权衡。

一次电池的能量密度往往比二次电池更高，但如果单一解决方案不能满足系统/应用的使用寿命，则必须更换一次电池。虽然在某些特定应用场景中一次电池更为可靠，但二次电池可以用于降低峰值功率需求，进而减轻其他组件的压力，并增强整个系统的可靠性。

二次电池甚至电容器组对于充电周期可能有特殊要求，以最大限度地延长使用寿命并提高性能。充电过程可能需要通过控制不同的电压/电流组合来执行一系列复杂的步骤。如果涉及多个电池，则可能需要额外要求来平衡电池电量，以确保系统实现稳定可靠的工作。

电池管理系统 (BMS) 对于想要充分利用储能的系统设计师来说十分有利。BMS 可确保电池成功运行，且不会受到本白皮书中所述电路和专门控制的影响。如果所有这些因素看起来令人望而却步，那么好消息是有许多解决方案可帮助 BMS 成为更全面的解决方案。许多半导体制造商都在提供 BMS IC，甚至将该功能集成到其他能量管理/转换功能之中。鉴于储能管理不善所带来的风险以及采用最佳管理解决方案带来的优势，利用现有、经过验证的 BMS 或充电解决方案可以带来真正的改变。单是维护成本的降低就足以证明增加外部解决方案的成本是合理的。对于物联网领域的小型系统，有完整的电源模块可作为常见储能源（例如锂离子或超级电容器）的 BMS，并支持能量采集源。

RECOM 有一位客户正在使用我们的产品对电动公交车进行电池单元的平衡充电。电池充电后……