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《電子技術應用》
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2022慕尼黑華南電子展特別觀察丨酷暑下現新短板,全產業鏈營救大兵“EV”

2022-11-03
來源:慕尼黑華南電子展

  今年夏天,南方的一場極端高溫將新能源電動汽車(EV)的發展推向了風口浪尖,不少新能源車主四處找樁,通宵排隊,完美詮釋了什么叫“不是在充電,就是在找充電樁的路上”。但要知道我國新能源汽車保有量超過了1000萬輛,車樁比已是世界前列,根據中國電動汽車充電基礎設施促進聯盟(EVCIPA)發布的數據,截至2021年底,全國充電樁保有量達261.7萬臺。

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  圖源:站酷海洛

  這場高溫大考充分證明了僅發展充電樁并不是解決“補能焦慮”的唯一度量衡。呼聲強烈的超充、快充技術不斷出新,車樁比不斷降低也不能解決源頭問題。大量充電樁接入增大了電網側的用電負荷,在缺電困境下更是加劇電網調峰壓力,使得電網運行效率降低,同時還可能會引起供電設備過載。一系列的挑戰也逐漸將行業的目光拉向了能源領域,思考如何降低電網側的負荷壓力,實現應用側與電網側的用電平衡才是當務之急。2022年慕尼黑華南電子展特別推出國際電動車驅動與充電技術創新論壇、國際第三代功率半導體與碳中和時代創新論壇,旨在邀請行業專家共同交流能源相關科技變革態勢,共同探討能源行業發展趨勢。

  新能源汽車行業一把手的特斯拉再度放棄了車展,卻轉頭參加了服貿會,展出其新能源技術一度成為了會上的網紅打卡地,你還在聚焦新能源汽車,別人已經越過山丘看到更廣闊的星辰大海。

  解壓電網側,新能源發電輔助充電站“用電自由”

  更高功率的公用直流充電站是新能源汽車充電焦慮的優解。直流充電允許以更高的功率對電動汽車充電:3級充電器的高額定直流電壓和額定功率分別為450 V和150 kW,超級充電器(相當于4級)則可超過800 V和350 kW。出于安全原因,在輸出接頭插入車輛時,電壓上限設為1000 V直流。流保持在電纜尺寸和成本的合理范圍內,這意味著必須正確設計安裝充電站的微電網或子電網并確定其規格。

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  圖源:站酷海洛

  我們不妨設想一款未來(2030年)的充電站:輸電線路通過變壓器接入中壓(MV)電網,再對充電樁提供電能。如果我們想讓充電站內數個甚至數十個高壓充電樁同時為駕駛員能夠在不到15分鐘的時間里為電動汽車充滿電,那么這種簡單的方法是無法持續的。假設充電站有五個直流充電樁,每個充電樁可以輸出500 kW的峰值功率,我們假設有五臺電動汽車,每臺均配備75 kWh的電池,需要從10%的電量(SOC)充電至80%電網必須連續15分鐘向這些電動汽車提供略多于1 MW的電能。這也意味著必須安裝非常昂貴的變壓器,將低壓充電站接入中壓電網,確保將電能從電廠輸送到充電站的輸電線路在規格上能滿足峰值功率需求。

  簡單、經濟的解決方案是使用太陽能、風能等可再生能源在當地生產的電能,而不是安裝新的輸電線路和大型變壓器。這樣用戶就可以直連有多余電能的充電站,而不是完全依靠電網。實際上,可以在充電站或連接充電站的子電網附近安裝100 kW至500 kW的太陽能光伏(PV)電站。雖然光伏電源可以提供500 kW的電能,將對電網的功率需求降至500 kW。

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  圖源:ADI官網

  然而,光伏電源具有間歇性的特點,并非總是存在。這就給電網帶來了不穩定問題,需要采用儲能系統解決??梢园褍δ芟到y視為大型電池,它能將來自可再生能源的電能存儲起來并輸送至電網、充電樁或回充至電網。還要適當確定儲能系統規格,確保峰值功率和電能容量之間的比率符合具體裝置的優化要求。該比率在很大程度上取決于通過太陽能、風能或其他能源在本地產生的電量、充電樁的數量、接入子電網的其他負荷以及功率變換系統的效率。

  政策加持儲能技術,鈉離子電池產業化加速

  在儲能領域已有一系列相應的政策鼓勵推動發展,2021年《關于加快推動新型儲能發展的指導意見》指出到2025年,實現新型儲能從商業化初期向規?;l展轉變,裝機規模達3000萬千瓦(30GW)以上,到2030年,實現新型儲能全面市場化發展。目前,該領域的電化學儲能憑借其靈活的優點,成熟的市場以及極高的性價比,成為了儲能技術中極具前景的技術路線。在2022年的《“十四五”新型儲能發展實施方案》中明確指出了,到2025年,電化學儲能技術性能進一步提升,系統成本降低30%以上。

  作為占據了電化學儲能系統成本的50%的核心,儲能電池的改進是有效降低儲能系統成本的關鍵。當前業界是鋰電池以優異的性能占據主導地位,但由于碳酸鋰價格暴漲,從2021年初5.2萬元/噸漲至50萬元/噸,漲幅近900%,企業紛紛尋求新材料體系的突破。鈉電池因為天然的成本優勢而成為首選,其工作原理和鋰離子電池類似,是通過鈉離子在正負極之間移動來工作。它們的主要區別在于正負極材料、電解液不同。尤其是正極材料,鈉離子電池的正極材料主要有磷酸鐵鈉、普魯士藍、鐵銅錳氧化物成本比鋰電的磷酸鐵鋰、鈷錳鎳氧化物低得多,通常為鋰鹽的1/10。

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  圖源:站酷海洛

  目前,鈉離子電池領域已有不少巨頭開始布局。前不久,寧德時代公開表示公司正致力推進鈉離子電池在2023年實現產業化;傳藝科技即將進行中試線投產,預計一期2GWh的鈉離子電池項目將于2023年投建;華陽股份和中科海納計劃建立電池PACK廠,2023年擴產至10GWh鈉離子電池正、負極材料生產線;容百科技規劃在2023年實現鈉電池正極材料每個月千噸級出貨。然而,也有業內人士并不看好,認為目前鈉離子電池各方面性能還不能滿足高性能汽車使用要求,預計到2035年鈉、鉀離子電池性能大幅提升、比能量達到300瓦時/千克左右時,才會大規模進入市場。

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  圖源:寧德時代

  另一方面,除了鈉離子電池外,適用于大中型儲能的液流電池也有新的進展,國內首個鹽酸基全釩液流電池儲能電站在濰坊濱海經濟開發區建造完工,一期工程規模為1MW/4MWh,項目計劃總規模為10MW/40MWh,是鹽酸基全釩液流電場儲能電站,能量密度相較于傳統硫酸基全釩液流電池提升了20%,工作溫度上限拓展至65℃。未來,鈉離子電池和液流電池有望在儲能領域的不同層面上相互補充。

  電池安全、長壽如何兼得?儲能BMS保駕護航

  儲能領域繞不開電池管理系統(BMS)和能量管理系統(EMS),規模越大的儲能站在高性能、穩定性、安全上要求就越加嚴格。雖然BMS/EMS硬件成本不高,但其性能和控制策略直接影響了儲能系統的運行效率和安全程度,且具 有一定的開發難度,一直是用戶或集成商較為關注的環節。

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  圖源:ADI

  在儲能系統中,精確可靠的電池荷電狀態(SOC)和健康狀態(SOH)計算可使電池壽命延長10年至20年。因此,BMS不是僅提供一些粗略的匯總值,而是要對內部模塊的大量數據和系統溫度進行精確測量,這對于電池組的充放電與監控至關重要。對此,ADI亞德諾半導體推出針對BMS的解決方案多單元電池堆監控器ADBMS1818,可測量多達18個串聯連接的電池單元,具有0~5V的電池測量范圍,總測量誤差小于3.0mV,適合大多數化學電池應用。此外,為了在影響BMS性能之前減輕系統噪聲,ADBMS1818內部集成了16位∑-Δ ADC,也預置了可編程的噪聲濾波器,大大減少了電磁干擾和其他瞬態噪聲的影響。

  另一邊,ST意法半導體(展位號2E26)也發布了兩款MCU SPC58NG84和SPC574K72,專為BMS解決方案所設計。其中SPC58NG84為3核,功能強大,集成了豐富的硬件和外設資源;而SPC574K72為2核,更適合中低端需求的BMS應用,性價比高。此外還有高集成度的模擬前端L9963E,是用于高可靠性汽車應用和儲能系統的鋰離子電池監測和保護芯片,可監測14個堆疊的電芯以及支持7個NTC的采集,信息通過SPI通信或隔離接口傳輸。

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  圖源:意法半導體

  據了解,多個L9963E可以以菊花鏈形式連接,并通過變壓器隔離的接口與一個主機處理器通信,具有高速、低EMI、遠距離和可靠的數據傳輸的優點。在正常和低功耗模式下,L9963E可支持定時均衡和休眠下的均衡。

  目前儲能市場上除了專門研發儲能市場管理系統的企業外,還有新能源汽車BMS制造商將技術遷移到儲能BMS上。例如本土企業均勝電子并購了德國普瑞,向寶馬i3純電動汽車提供電池管理系統,成為向寶馬公司提供電池管理系統的汽車零部件企業。以及億能電子是國內技術優秀、市場占有率較高的電動汽車電池管理系統供應商,也向大儲能系統集成商提供大型BMS產品。

  逐漸燎原的虛擬電廠是噱頭還是風口?

  就在儲能技術發展如火如荼的同時,一個新興的概念正悄然走俏。今年3月發布的《“十四五”現代能源體系規劃》指出,要推動儲能設施、虛擬電廠、用戶可中斷負荷等靈活性資源參與電力輔助服務。此外,北京、上海等多地的十四五規劃中也都點名提到發展和建設虛擬電廠。

  虛擬電廠并不是真正意義上的發電廠,而是一種智能電網技術,作為儲能技術的補充。其核心理念就是通過先進信息通信技術和軟件系統,把各類分散、可調節的電源和負荷匯聚起來,形成一個虛擬的“電廠”進行統一管理和調度,也是為了彌合用電側和電網側雙邊的失衡。

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  圖源:站酷海洛

  如今,被業界當做儲能困境破局者的虛擬電廠方興未艾,吸引著各路玩家紛紛入局。2022年7月,特斯拉公司在加利福尼亞州推出一項虛擬電廠試點計劃,邀請兩萬五千戶安裝有屋頂光伏、電池體系的家庭,組建一個局部的虛擬電廠能源網絡。它將根據電網統一要求,在電網用電緊急的時候,統一減少用電;而在用電低谷,則將電池里面存儲的電量,反向賣回給電網。此外,國內也有不少從業者紛紛開啟虛擬電廠探索,比如天楹股份、電享科技、國能日新、特來電、零碳智能等等??傊?,虛擬電廠被寄予厚望,在電網結構向清潔低碳轉型的背景下,物美價廉的虛擬電廠是否能夠充分消納清潔能源發電量,助力充電基礎設施等配套服務體系不斷健全?我們拭目以待。

  結語

  深究此次高溫限電的困境,不難發現新能源汽車充電焦慮到底還是能源利用問題??刺斐燥埖男履茉幢壤粩嘣龈?,但缺乏高效儲能技術導致用電低谷期大量可再生能源難以得到有效利用。聚焦儲能技術發展已經是行業共識,對此,2022年慕尼黑華南電子展特別推出了“新能源”行業關鍵詞,屆時將匯聚優秀的海內外企業,展出其在能源領域的創新產品和技術解決方案。

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