模块化电池储能系统是构建绿色能源生态系统的关键技术，因为它们有助于有效利用可再生电力。一种越来越受欢迎的应用是二次电池储能系统。在这个子市场中，预计多达 80% 的废弃电池将被重新用于固定电网服务的储能系统，从而将电池的使用寿命从 5 年延长到 15 年。预计到 2030 年，这些系统将为电网容量增加 1 TWh。这种新兴应用必将在不久的将来在能源市场中变得更加重要。

典型的实现方式包括不同的电池模块堆栈，它们通过电源转换器将能量传输到集中式交流或直流总线（用于随后以某种形式向负载分配能量）。这种类型的系统面临的挑战是每个模块都有不同的化学性质、容量和老化曲线。在传统的模块化拓扑中，弱的模块会影响整个堆栈的总可用容量（图 1）。

为了解决这一限制，在图 2 所示的架构中，电池组中的能量通过每个电池模块的单独 DC-DC 转换器传输到公共中间 DC 总线。然后，该能量通过主电源转换器用于支持集中式中压 (MV) AC 或 DC 总线。图 2 中的电压和功率水平是根据市场上储能系统的典型数据选择的：48 V 电池模块、400 V (DC) 中间 DC 总线、超过 20 kW（高功率）的主电源转换器和高达 1500 V 的集中式总线。

在图 2 中，由于堆栈中每个模块的接地参考不同，因此需要隔离才能为每个电池模块实现单独的 DC-DC 转换器。此外，为了支持混合系统（如二次电池储能系统），这些转换器中的每一个还必须能够双向传输电力。这样，可以轻松实现每个模块的独立充电/放电和充电平衡。因此，本文讨论的应用的模块是隔离和双向 DC-DC 转换器。

适用于电源转换应用的专用数字控制器

对于大功率 DC-DC 转换器（大于 1 kW）中开关设备的控制，数字控制是当前行业标准，通常基于微控制器单元 (MCU)。尽管如此，工业应用对功能安全 (FS) 的日益关注可能更有利于使用专用数字控制器。从系统设计的角度来看，更简单的 FS 在模块化实施中尤其有益，因为它简化了设计过程，从而缩短了总体收益时间。与 MCU 相比，专用数字控制器更受青睐的一些原因包括：

微控制器依赖于软件，在 IEC 61508 开发之前，软件不允许用于安全系统，因为软件包含的状态数量太多，因此被认为不稳定。因此，使用 MCU 进行 FS 的大量工作都花在了软件开发过程中。

除了软件之外，MCU 本身也必须经过。尽管专用数字控制器（作为可配置设备）仍是数据驱动的，但它们的配置过程涉及有限可变性语言 (LVL)，而不是可变性语言 (FVL)，这是 MCU 的。

专用数字控制器作为顺序数字机器，其功能可以通过测试验证，而 MCU 中的软件通常无法做到这一点。因此，使用专用控制器时，安全功能由设备集成。

与专用控制器中的集成安全功能相比，为 MCU 实现添加安全功能可能需要大量额外硬件。在使用故障模式、影响和诊断分析 (FMEDA) 时，这很容易增加系统级的复杂性。

使用专用控制器时，可以在外部 MCU 中对额外的安全性（如果需要）进行编程，通常在系统级可用。