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

今年夏天，南方的一場(chǎng)極端高溫將新能源電動(dòng)汽車(chē)（EV）的發(fā)展推向了風(fēng)口浪尖，不少新能源車(chē)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(chē)保有量超過(guò)了1000萬(wàn)輛，車(chē)樁比已是世界前列，根據中國電動(dòng)汽車(chē)充電基礎設施促進(jìn)聯(lián)盟（EVCIPA）發(fā)布的數據，截至2021年底，全國充電樁保有量達261.7萬(wàn)臺。

圖源：站酷海洛

這場(chǎng)高溫大考充分證明了僅發(fā)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(shù)不斷出新，車(chē)樁比不斷降低也不能解決源頭問(wèn)題。大量充電樁接入增大了電網(wǎng)側的用電負荷，在缺電困境下更是加劇電網(wǎng)調峰壓力，使得電網(wǎng)運行效率降低，同時(shí)還可能會(huì )引起供電設備過(guò)載。一系列的挑戰也逐漸將行業(yè)的目光拉向了能源領(lǐng)域，思考如何降低電網(wǎng)側的負荷壓力，實(shí)現應用側與電網(wǎng)側的用電平衡才是當務(wù)之急。2022年慕尼黑華南電子展特別推出國際電動(dòng)車(chē)驅動(dòng)與充電技術(shù)創(chuàng )新論壇、國際第三代功率半導體與碳中和時(shí)代創(chuàng )新論壇，旨在邀請行業(yè)專(zhuān)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(chē)行業(yè)一把手的特斯拉再度放棄了車(chē)展，卻轉頭參加了服貿會(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(chē)，別人已經(jīng)越過(guò)山丘看到更廣闊的星辰大海。

解壓電網(wǎng)側，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(chē)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(chē)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(guò)800 V和350 kW。出于安全原因，在輸出接頭插入車(chē)輛時(shí)，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(zhù)必須正確設計安裝充電站的微電網(wǎng)或子電網(wǎng)并確定其規格。

圖源：站酷海洛

我們不妨設想一款未來(lái)（2030年）的充電站：輸電線(xiàn)路通過(guò)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數個(gè)甚至數十個(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(chē)充滿(mǎn)電，那么這種簡(jiǎn)單的方法是無(wú)法持續的。假設充電站有五個(gè)直流充電樁，每個(gè)充電樁可以輸出500 kW的峰值功率，我們假設有五臺電動(dòng)汽車(chē)，每臺均配備75 kWh的電池，需要從10％的電量(SOC)充電至80％電網(wǎng)必須連續15分鐘向這些電動(dòng)汽車(chē)提供略多于1 MW的電能。這也意味著(zhù)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(chǎng)輸送到充電站的輸電線(xiàn)路在規格上能滿(mǎn)足峰值功率需求。

簡(jiǎn)單、經(jīng)濟的解決方案是使用太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源在當地生產(chǎn)的電能，而不是安裝新的輸電線(xiàn)路和大型變壓器。這樣用戶(hù)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(yáng)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(lái)了不穩定問(wèn)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(lái)自可再生能源的電能存儲起來(lái)并輸送至電網(wǎng)、充電樁或回充至電網(wǎng)。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(yōu)化要求。該比率在很大程度上取決于通過(guò)太陽(yáng)能、風(fēng)能或其他能源在本地產(chǎn)生的電量、充電樁的數量、接入子電網(wǎng)的其他負荷以及功率變換系統的效率。

政策加持儲能技術(shù)，鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化加速 

在儲能領(lǐng)域已有一系列相應的政策鼓勵推動(dòng)發(fā)展，2021年《關(guān)于加快推動(dòng)新型儲能發(fā)展的指導意見(jiàn)》指出到2025年，實(shí)現新型儲能從商業(yè)化初期向規?；l(fā)展轉變，裝機規模達3000萬(wàn)千瓦（30GW）以上，到2030年，實(shí)現新型儲能全面市場(chǎng)化發(fā)展。目前，該領(lǐng)域的電化學(xué)儲能憑借其靈活的優(yōu)點(diǎn)，成熟的市場(chǎng)以及極高的性?xún)r(jià)比，成為了儲能技術(shù)中極具前景的技術(shù)路線(xiàn)。在2022年的《“十四五”新型儲能發(fā)展實(shí)施方案》中明確指出了，到2025年，電化學(xué)儲能技術(shù)性能進(jìn)一步提升，系統成本降低30%以上。

作為占據了電化學(xué)儲能系統成本的50%的核心，儲能電池的改進(jìn)是有效降低儲能系統成本的關(guān)鍵。當前業(yè)界是鋰電池以?xún)?yōu)異的性能占據主導地位，但由于碳酸鋰價(jià)格暴漲，從2021年初5.2萬(wàn)元/噸漲至50萬(wàn)元/噸，漲幅近900%，企業(yè)紛紛尋求新材料體系的突破。鈉電池因為天然的成本優(yōu)勢而成為首選，其工作原理和鋰離子電池類(lèi)似，是通過(guò)鈉離子在正負極之間移動(dòng)來(lái)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。

圖源：站酷海洛

目前，鈉離子電池領(lǐng)域已有不少巨頭開(kāi)始布局。前不久，寧德時(shí)代公開(kāi)表示公司正致力推進(jìn)鈉離子電池在2023年實(shí)現產(chǎn)業(yè)化；傳藝科技即將進(jìn)行中試線(xiàn)投產(chǎn)，預計一期2GWh的鈉離子電池項目將于2023年投建；華陽(yáng)股份和中科海納計劃建立電池PACK廠(chǎng)，2023年擴產(chǎn)至10GWh鈉離子電池正、負極材料生產(chǎn)線(xiàn)；容百科技規劃在2023年實(shí)現鈉電池正極材料每個(gè)月千噸級出貨。然而，也有業(yè)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(mǎn)足高性能汽車(chē)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(shí)/千克左右時(shí)，才會(huì )大規模進(jìn)入市場(chǎng)。

圖源：寧德時(shí)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(jìn)展，國內首個(gè)鹽酸基全釩液流電池儲能電站在濰坊濱海經(jīng)濟開(kāi)發(fā)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(chǎng)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(lái)，鈉離子電池和液流電池有望在儲能領(lǐng)域的不同層面上相互補充。

電池安全、長(cháng)壽如何兼得？?jì)δ蹷MS保駕護航

儲能領(lǐng)域繞不開(kāi)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(kāi)發(fā)難度，一直是用戶(hù)或集成商較為關(guān)注的環(huán)節。

圖源：ADI

在儲能系統中，精確可靠的電池荷電狀態(tài)（SOC）和健康狀態(tài)（SOH）計算可使電池壽命延長(cháng)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(jìn)行精確測量，這對于電池組的充放電與監控至關(guān)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(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，適合大多數化學(xué)電池應用。此外，為了在影響B(tài)MS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(tài)噪聲的影響。

另一邊，ST意法半導體（展位號2E26）也發(fā)布了兩款MCU SPC58NG84和SPC574K72，專(zhuān)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?xún)r(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(chē)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(gè)堆疊的電芯以及支持7個(gè)NTC的采集，信息通過(guò)SPI通信或隔離接口傳輸。

圖源：意法半導體

據了解，多個(gè)L9963E可以以菊花鏈形式連接，并通過(guò)變壓器隔離的接口與一個(gè)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(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。

目前儲能市場(chǎng)上除了專(zhuān)門(mén)研發(fā)儲能市場(chǎng)管理系統的企業(yè)外，還有新能源汽車(chē)BMS制造商將技術(shù)遷移到儲能BMS上。例如本土企業(yè)均勝電子并購了德國普瑞，向寶馬i3純電動(dòng)汽車(chē)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(chē)零部件企業(yè)。以及億能電子是國內技術(shù)優(yōu)秀、市場(chǎng)占有率較高的電動(dòng)汽車(chē)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(chǎn)品。

逐漸燎原的虛擬電廠(chǎng)是噱頭還是風(fēng)口？

就在儲能技術(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”現代能源體系規劃》指出，要推動(dòng)儲能設施、虛擬電廠(chǎng)、用戶(hù)可中斷負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劃中也都點(diǎn)名提到發(fā)展和建設虛擬電廠(chǎng)。

虛擬電廠(chǎng)并不是真正意義上的發(fā)電廠(chǎng)，而是一種智能電網(wǎng)技術(shù)，作為儲能技術(shù)的補充。其核心理念就是通過(guò)先進(jìn)信息通信技術(shù)和軟件系統，把各類(lèi)分散、可調節的電源和負荷匯聚起來(lái)，形成一個(gè)虛擬的“電廠(chǎng)”進(jìn)行統一管理和調度，也是為了彌合用電側和電網(wǎng)側雙邊的失衡。

圖源：站酷海洛

如今，被業(yè)界當做儲能困境破局者的虛擬電廠(chǎng)方興未艾，吸引著(zhù)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(chǎng)試點(diǎn)計劃，邀請兩萬(wàn)五千戶(hù)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(chǎng)能源網(wǎng)絡(luò )。它將根據電網(wǎng)統一要求，在電網(wǎng)用電緊急的時(shí)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(mài)回給電網(wǎng)。此外，國內也有不少從業(yè)者紛紛開(kāi)啟虛擬電廠(chǎng)探索，比如天楹股份、電享科技、國能日新、特來(lái)電、零碳智能等等?？傊?，虛擬電廠(chǎng)被寄予厚望，在電網(wǎng)結構向清潔低碳轉型的背景下，物美價(jià)廉的虛擬電廠(chǎng)是否能夠充分消納清潔能源發(fā)電量，助力充電基礎設施等配套服務(wù)體系不斷健全？我們拭目以待。

結語(yǔ)

深究此次高溫限電的困境，不難發(fā)現新能源汽車(chē)充電焦慮到底還是能源利用問(wèn)題?？刺斐燥埖男履茉幢壤粩嘣龈?，但缺乏高效儲能技術(shù)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(shù)發(fā)展已經(jīng)是行業(yè)共識，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。