2022慕尼黑華南電子展特別觀察丨酷暑下現(xiàn)新短板，全產(chǎn)業(yè)鏈營救大兵“EV”

　　今年夏天，南方的一場極端高溫將新能源電動(dòng)汽車(EV)的發(fā)展推向了風(fēng)口浪尖，不少新能源車主四處找樁，通宵排隊(duì)，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(jù)中國電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施促進(jìn)聯(lián)盟(EVCIPA)發(fā)布的數(shù)據(jù)，截至2021年底，全國充電樁保有量達(dá)261.7萬臺(tái)。

　　這場高溫大考充分證明了僅發(fā)展充電樁并不是解決“補(bǔ)能焦慮”的唯一度量衡。呼聲強(qiáng)烈的超充、快充技術(shù)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(wǎng)側(cè)的用電負(fù)荷，在缺電困境下更是加劇電網(wǎng)調(diào)峰壓力，使得電網(wǎng)運(yùn)行效率降低，同時(shí)還可能會(huì)引起供電設(shè)備過載。一系列的挑戰(zhàn)也逐漸將行業(yè)的目光拉向了能源領(lǐng)域，思考如何降低電網(wǎng)側(cè)的負(fù)荷壓力，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用側(cè)與電網(wǎng)側(cè)的用電平衡才是當(dāng)務(wù)之急。2022年慕尼黑華南電子展特別推出國際電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)與充電技術(shù)創(chuàng)新論壇、國際第三代功率半導(dǎo)體與碳中和時(shí)代創(chuàng)新論壇，旨在邀請行業(yè)專家共同交流能源相關(guān)科技變革態(tài)勢，共同探討能源行業(yè)發(fā)展趨勢。

　　新能源汽車行業(yè)一把手的特斯拉再度放棄了車展，卻轉(zhuǎn)頭參加了服貿(mào)會(huì)，展出其新能源技術(shù)一度成為了會(huì)上的網(wǎng)紅打卡地，你還在聚焦新能源汽車，別人已經(jīng)越過山丘看到更廣闊的星辰大海。

　　解壓電網(wǎng)側(cè)，新能源發(fā)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(yōu)解。直流充電允許以更高的功率對電動(dòng)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(dāng)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(shí)，電壓上限設(shè)為1000 V直流。流保持在電纜尺寸和成本的合理范圍內(nèi)，這意味著必須正確設(shè)計(jì)安裝充電站的微電網(wǎng)或子電網(wǎng)并確定其規(guī)格。

　　我們不妨設(shè)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(wǎng)，再對充電樁提供電能。如果我們想讓充電站內(nèi)數(shù)個(gè)甚至數(shù)十個(gè)高壓充電樁同時(shí)為駕駛員能夠在不到15分鐘的時(shí)間里為電動(dòng)汽車充滿電，那么這種簡單的方法是無法持續(xù)的。假設(shè)充電站有五個(gè)直流充電樁，每個(gè)充電樁可以輸出500 kW的峰值功率，我們假設(shè)有五臺(tái)電動(dòng)汽車，每臺(tái)均配備75 kWh的電池，需要從10%的電量(SOC)充電至80%電網(wǎng)必須連續(xù)15分鐘向這些電動(dòng)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(wǎng)，確保將電能從電廠輸送到充電站的輸電線路在規(guī)格上能滿足峰值功率需求。

　　簡單、經(jīng)濟(jì)的解決方案是使用太陽能、風(fēng)能等可再生能源在當(dāng)?shù)厣�產(chǎn)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(wǎng)。實(shí)際上，可以在充電站或連接充電站的子電網(wǎng)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(wǎng)的功率需求降至500 kW。

　　圖源：ADI官網(wǎng)

　　然而，光伏電源具有間歇性的特點(diǎn)，并非總是存在。這就給電網(wǎng)帶來了不穩(wěn)定問題，需要采用儲(chǔ)能系統(tǒng)解決�？梢园褍�(chǔ)能系統(tǒng)視為大型電池，它能將來自可再生能源的電能存儲(chǔ)起來并輸送至電網(wǎng)、充電樁或回充至電網(wǎng)。還要適當(dāng)確定儲(chǔ)能系統(tǒng)規(guī)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(yōu)化要求。該比率在很大程度上取決于通過太陽能、風(fēng)能或其他能源在本地產(chǎn)生的電量、充電樁的數(shù)量、接入子電網(wǎng)的其他負(fù)荷以及功率變換系統(tǒng)的效率。

　　政策加持儲(chǔ)能技術(shù)，鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化加速

　　在儲(chǔ)能領(lǐng)域已有一系列相應(yīng)的政策鼓勵(lì)推動(dòng)發(fā)展，2021年《關(guān)于加快推動(dòng)新型儲(chǔ)能發(fā)展的指導(dǎo)意見》指出到2025年，實(shí)現(xiàn)新型儲(chǔ)能從商業(yè)化初期向規(guī)�；�發(fā)展轉(zhuǎn)變，裝機(jī)規(guī)模達(dá)3000萬千瓦(30GW)以上，到2030年，實(shí)現(xiàn)新型儲(chǔ)能全面市場化發(fā)展。目前，該領(lǐng)域的電化學(xué)儲(chǔ)能憑借其靈活的優(yōu)點(diǎn)，成熟的市場以及極高的性價(jià)比，成為了儲(chǔ)能技術(shù)中極具前景的技術(shù)路線。在2022年的《“十四五”新型儲(chǔ)能發(fā)展實(shí)施方案》中明確指出了，到2025年，電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)性能進(jìn)一步提升，系統(tǒng)成本降低30%以上。

　　作為占據(jù)了電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)成本的50%的核心，儲(chǔ)能電池的改進(jìn)是有效降低儲(chǔ)能系統(tǒng)成本的關(guān)鍵。當(dāng)前業(yè)界是鋰電池以優(yōu)異的性能占據(jù)主導(dǎo)地位，但由于碳酸鋰價(jià)格暴漲，從2021年初5.2萬元/噸漲至50萬元/噸，漲幅近900%，企業(yè)紛紛尋求新材料體系的突破。鈉電池因?yàn)樘烊坏某杀緝?yōu)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(fù)極之間移動(dòng)來工作。它們的主要區(qū)別在于正負(fù)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(lán)、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。

　　目前，鈉離子電池領(lǐng)域已有不少巨頭開始布局。前不久，寧德時(shí)代公開表示公司正致力推進(jìn)鈉離子電池在2023年實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化;傳藝科技即將進(jìn)行中試線投產(chǎn)，預(yù)計(jì)一期2GWh的鈉離子電池項(xiàng)目將于2023年投建;華陽股份和中科海納計(jì)劃建立電池PACK廠，2023年擴(kuò)產(chǎn)至10GWh鈉離子電池正、負(fù)極材料生產(chǎn)線;容百科技規(guī)劃在2023年實(shí)現(xiàn)鈉電池正極材料每個(gè)月千噸級出貨。然而，也有業(yè)內(nèi)人士并不看好，認(rèn)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(yù)計(jì)到2035年鈉、鉀離子電池性能大幅提升、比能量達(dá)到300瓦時(shí)/千克左右時(shí)，才會(huì)大規(guī)模進(jìn)入市場。

　　另一方面，除了鈉離子電池外，適用于大中型儲(chǔ)能的液流電池也有新的進(jìn)展，國內(nèi)首個(gè)鹽酸基全釩液流電池儲(chǔ)能電站在濰坊濱海經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)建造完工，一期工程規(guī)模為1MW/4MWh，項(xiàng)目計(jì)劃總規(guī)模為10MW/40MWh，是鹽酸基全釩液流電場儲(chǔ)能電站，能量密度相較于傳統(tǒng)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(chǔ)能領(lǐng)域的不同層面上相互補(bǔ)充。

　　電池安全、長壽如何兼得?儲(chǔ)能BMS保駕護(hù)航

　　儲(chǔ)能領(lǐng)域繞不開電池管理系統(tǒng)(BMS)和能量管理系統(tǒng)(EMS)，規(guī)模越大的儲(chǔ)能站在高性能、穩(wěn)定性、安全上要求就越加嚴(yán)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(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行效率和安全程度，且具有一定的開發(fā)難度，一直是用戶或集成商較為關(guān)注的環(huán)節(jié)。

　　圖源：ADI

　　在儲(chǔ)能系統(tǒng)中，精確可靠的電池荷電狀態(tài)(SOC)和健康狀態(tài)(SOH)計(jì)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(nèi)部模塊的大量數(shù)據(jù)和系統(tǒng)溫度進(jìn)行精確測量，這對于電池組的充放電與監(jiān)控至關(guān)重要。對此，ADI亞德諾半導(dǎo)體推出針對BMS的解決方案多單元電池堆監(jiān)控器ADBMS1818，可測量多達(dá)18個(gè)串聯(lián)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(shù)化學(xué)電池應(yīng)用。此外，為了在影響B(tài)MS性能之前減輕系統(tǒng)噪聲，ADBMS1818內(nèi)部集成了16位∑-Δ ADC，也預(yù)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(tài)噪聲的影響。

　　另一邊，ST意法半導(dǎo)體(展位號2E26)也發(fā)布了兩款MCU SPC58NG84和SPC574K72，專為BMS解決方案所設(shè)計(jì)。其中SPC58NG84為3核，功能強(qiáng)大，集成了豐富的硬件和外設(shè)資源;而SPC574K72為2核，更適合中低端需求的BMS應(yīng)用，性價(jià)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(yīng)用和儲(chǔ)能系統(tǒng)的鋰離子電池監(jiān)測和保護(hù)芯片，可監(jiān)測14個(gè)堆疊的電芯以及支持7個(gè)NTC的采集，信息通過SPI通信或隔離接口傳輸。

　　圖源：意法半導(dǎo)體

　　據(jù)了解，多個(gè)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(gè)主機(jī)處理器通信，具有高速、低EMI、遠(yuǎn)距離和可靠的數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)。在正常和低功耗模式下，L9963E可支持定時(shí)均衡和休眠下的均衡。

　　目前儲(chǔ)能市場上除了專門研發(fā)儲(chǔ)能市場管理系統(tǒng)的企業(yè)外，還有新能源汽車BMS制造商將技術(shù)遷移到儲(chǔ)能BMS上。例如本土企業(yè)均勝電子并購了德國普瑞，向?qū)汃Ri3純電動(dòng)汽車提供電池管理系統(tǒng)，成為向?qū)汃R公司提供電池管理系統(tǒng)的汽車零部件企業(yè)。以及億能電子是國內(nèi)技術(shù)優(yōu)秀、市場占有率較高的電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)供應(yīng)商，也向大儲(chǔ)能系統(tǒng)集成商提供大型BMS產(chǎn)品。

　　逐漸燎原的虛擬電廠是噱頭還是風(fēng)口?

　　就在儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展如火如荼的同時(shí)，一個(gè)新興的概念正悄然走俏。今年3月發(fā)布的《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》指出，要推動(dòng)儲(chǔ)能設(shè)施、虛擬電廠、用戶可中斷負(fù)荷等靈活性資源參與電力輔助服務(wù)。此外，北京、上海等多地的十四五規(guī)劃中也都點(diǎn)名提到發(fā)展和建設(shè)虛擬電廠。

　　虛擬電廠并不是真正意義上的發(fā)電廠，而是一種智能電網(wǎng)技術(shù)，作為儲(chǔ)能技術(shù)的補(bǔ)充。其核心理念就是通過先進(jìn)信息通信技術(shù)和軟件系統(tǒng)，把各類分散、可調(diào)節(jié)的電源和負(fù)荷匯聚起來，形成一個(gè)虛擬的“電廠”進(jìn)行統(tǒng)一管理和調(diào)度，也是為了彌合用電側(cè)和電網(wǎng)側(cè)雙邊的失衡。

　　如今，被業(yè)界當(dāng)做儲(chǔ)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(xiàng)虛擬電廠試點(diǎn)計(jì)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(gè)局部的虛擬電廠能源網(wǎng)絡(luò)。它將根據(jù)電網(wǎng)統(tǒng)一要求，在電網(wǎng)用電緊急的時(shí)候，統(tǒng)一減少用電;而在用電低谷，則將電池里面存儲(chǔ)的電量，反向賣回給電網(wǎng)。此外，國內(nèi)也有不少從業(yè)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(wǎng)結(jié)構(gòu)向清潔低碳轉(zhuǎn)型的背景下，物美價(jià)廉的虛擬電廠是否能夠充分消納清潔能源發(fā)電量，助力充電基礎(chǔ)設(shè)施等配套服務(wù)體系不斷健全?我們拭目以待。

　　結(jié)語

　　深究此次高溫限電的困境，不難發(fā)現(xiàn)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�不斷增高，但缺乏高效儲(chǔ)能技術(shù)導(dǎo)致用電低谷期大量可再生能源難以得到有效利用。聚焦儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展已經(jīng)是行業(yè)共識(shí)，對此，2022年慕尼黑華南電子展特別推出了“新能源”行業(yè)關(guān)鍵詞，屆時(shí)將匯聚優(yōu)秀的海內(nèi)外企業(yè)，展出其在能源領(lǐng)域的創(chuàng)新產(chǎn)品和技術(shù)解決方案。