2022慕尼黑华南电子展特别观察丨酷暑下现新短板,全产业链营救大兵“EV”

日期:2022-11-03        
核心提示:今年夏天,南方的一场极端高温将新能源电动汽车(EV)的发展推向了风口浪尖,不少新能源车主四处找桩,通宵排队,完美诠释了什么

今年夏天,南方的一场极端高温将新能源电动汽车(EV)的发展推向了风口浪尖,不少新能源车主四处找桩,通宵排队,完美诠释了什么叫“不是在充电,就是在找充电桩的路上”。但要知道我国新能源汽车保有量超过了1000万辆,车桩比已是世界前列,根据中国电动汽车充电基础设施促进联盟(EVCIPA)发布的数据,截至2021年底,全国充电桩保有量达261.7万台。




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图源:站酷海洛

这场高温大考充分证明了仅发展充电桩并不是解决“补能焦虑”的唯一度量衡。呼声强烈的超充、快充技术不断出新,车桩比不断降低也不能解决源头问题。大量充电桩接入增大了电网侧的用电负荷,在缺电困境下更是加剧电网调峰压力,使得电网运行效率降低,同时还可能会引起供电设备过载。一系列的挑战也逐渐将行业的目光拉向了能源领域,思考如何降低电网侧的负荷压力,实现应用侧与电网侧的用电平衡才是当务之急。2022年慕尼黑华南电子展特别推出国际电动车驱动与充电技术创新论坛、国际第三代功率半导体与碳中和时代创新论坛,旨在邀请行业专家共同交流能源相关科技变革态势,共同探讨能源行业发展趋势。

新能源汽车行业一把手的特斯拉再度放弃了车展,却转头参加了服贸会,展出其新能源技术一度成为了会上的网红打卡地,你还在聚焦新能源汽车,别人已经越过山丘看到更广阔的星辰大海。

解压电网侧,新能源发电辅助充电站“用电自由”




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更高功率的公用直流充电站是新能源汽车充电焦虑的优解。直流充电允许以更高的功率对电动汽车充电:3级充电器的高额定直流电压和额定功率分别为450 V和150 kW,超级充电器(相当于4级)则可超过800 V和350 kW。出于安全原因,在输出接头插入车辆时,电压上限设为1000 V直流。流保持在电缆尺寸和成本的合理范围内,这意味着必须正确设计安装充电站的微电网或子电网并确定其规格。

图源:站酷海洛

我们不妨设想一款未来(2030年)的充电站:输电线路通过变压器接入中压(MV)电网,再对充电桩提供电能。如果我们想让充电站内数个甚至数十个高压充电桩同时为驾驶员能够在不到15分钟的时间里为电动汽车充满电,那么这种简单的方法是无法持续的。假设充电站有五个直流充电桩,每个充电桩可以输出500 kW的峰值功率,我们假设有五台电动汽车,每台均配备75 kWh的电池,需要从10%的电量(SOC)充电至80%电网必须连续15分钟向这些电动汽车提供略多于1 MW的电能。这也意味着必须安装非常昂贵的变压器,将低压充电站接入中压电网,确保将电能从电厂输送到充电站的输电线路在规格上能满足峰值功率需求。

简单、经济的解决方案是使用太阳能、风能等可再生能源在当地生产的电能,而不是安装新的输电线路和大型变压器。这样用户就可以直连有多余电能的充电站,而不是完全依靠电网。实际上,可以在充电站或连接充电站的子电网附近安装100 kW至500 kW的太阳能光伏(PV)电站。虽然光伏电源可以提供




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500 kW的电能,将对电网的功率需求降至500 kW。

图源:ADI官网

然而,光伏电源具有间歇性的特点,并非总是存在。这就给电网带来了不稳定问题,需要采用储能系统解决。可以把储能系统视为大型电池,它能将来自可再生能源的电能存储起来并输送至电网、充电桩或回充至电网。还要适当确定储能系统规格,确保峰值功率和电能容量之间的比率符合具体装置的优化要求。该比率在很大程度上取决于通过太阳能、风能或其他能源在本地产生的电量、充电桩的数量、接入子电网的其他负荷以及功率变换系统的效率。

政策加持储能技术,钠离子电池产业化加速

在储能领域已有一系列相应的政策鼓励推动发展,2021年《关于加快推动新型储能发展的指导意见》指出到2025年,实现新型储能从商业化初期向规模化发展转变,装机规模达3000万千瓦(30GW)以上,到2030年,实现新型储能全面市场化发展。目前,该领域的电化学储能凭借其灵活的优点,成熟的市场以及极高的性价比,成为了储能技术中极具前景的技术路线。在2022年的《“十四五”新型储能发展实施方案》中明确指出了,到2025年,电化学储能技术性能进一步提升,系统成本降低30%以上。

作为占据了电化学储能系统成本的50%的核心,储能电池的改进是有效降低储能系统成本的关键。当前业界是锂电池以优异的性能占据主导地位,但由于碳酸锂价格暴涨,从2021年初5.2万元/吨涨至50万元/吨,涨幅近900%,企业纷纷寻求新材料体系的突破。钠电池因为天然的成本优势而成为首选,其工作原理和锂离子电池类似,是通过钠离子在正负极之间移动来工作。它们的主要区别在于正负极材料、电解液不同。尤其是正极材料,钠离子电池的正极材料主要有磷酸铁钠、普鲁士蓝、铁铜锰氧化物成本比锂电的磷酸铁锂、钴锰镍氧化物低得多,通常为锂盐的1/10。




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图源:站酷海洛

目前,钠离子电池领域已有不少巨头开始布局。前不久,宁德时代公开表示公司正致力推进钠离子电池在2023年实现产业化;传艺科技即将进行中试线投产,预计一期2GWh的钠离子电池项目将于2023年投建;华阳股份和中科海纳计划建立电池PACK厂,2023年扩产至10GWh钠离子电池正、负极材料生产线;容百科技规划在2023年实现钠电池正极材料每个月千吨级出货。然而,也有业内人士并不看好,认为目前钠离子电池各方面性能还不能满足高性能汽车使用要求,预计到2035年钠、钾离子电池性能大幅提升、比能量达到300




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瓦时/千克左右时,才会大规模进入市场。

图源:宁德时代

另一方面,除了钠离子电池外,适用于大中型储能的液流电池也有新的进展,国内首个盐酸基全钒液流电池储能电站在潍坊滨海经济开发区建造完工,一期工程规模为1MW/4MWh,项目计划总规模为10MW/40MWh,是盐酸基全钒液流电场储能电站,能量密度相较于传统硫酸基全钒液流电池提升了20%,工作温度上限拓展至65℃。未来,钠离子电池和液流电池有望在储能领域的不同层面上相互补充。

电池安全、长寿如何兼得?储能BMS保驾护航

储能领域绕不开电池管理系统(BMS)和能量管理系统(EMS),规模越大的储能站在高性能、稳定性、安全上要求就越加严格。虽然BMS/EMS硬件成本不高,但其性能和控制策略直接影响了储能系统的运行效率和安全程度,且具




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有一定的开发难度,一直是用户或集成商较为关注的环节。

图源:ADI

在储能系统中,精确可靠的电池荷电状态(SOC)和健康状态(SOH)计算可使电池寿命延长10年至20年。因此,BMS不是仅提供一些粗略的汇总值,而是要对内部模块的大量数据和系统温度进行精确测量,这对于电池组的充放电与监控至关重要。对此,ADI亚德诺半导体推出针对BMS的解决方案多单元电池堆监控器ADBMS1818,可测量多达18个串联连接的电池单元,具有0~5V的电池测量范围,总测量误差小于3.0mV,适合大多数化学电池应用。此外,为了在影响BMS性能之前减轻系统噪声,ADBMS1818内部集成了16位∑-Δ ADC,也预置了可编程的噪声滤波器,大大减少了电磁干扰和其他瞬态噪声的影响。

另一边,ST意法半导体(展位号2E26)也发布了两款MCU SPC58NG84和SPC574K72,专为BMS解决方案所设计。其中SPC58NG84为3核,功能强大,集成了丰富的硬件和外设资源;而SPC574K72为2核,更适合中低端需求的BMS应用,性价比高。此外还有高集成度的模拟前端L9963E,是用于高可靠性汽车应用和储能系统的锂离子电池监测和保护芯片,可监测14个堆叠




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的电芯以及支持7个NTC的采集,信息通过SPI通信或隔离接口传输。

图源:意法半导体

据了解,多个L9963E可以以菊花链形式连接,并通过变压器隔离的接口与一个主机处理器通信,具有高速、低EMI、远距离和可靠的数据传输的优点。在正常和低功耗模式下,L9963E可支持定时均衡和休眠下的均衡。

目前储能市场上除了专门研发储能市场管理系统的企业外,还有新能源汽车BMS制造商将技术迁移到储能BMS上。例如本土企业均胜电子并购了德国普瑞,向宝马i3纯电动汽车提供电池管理系统,成为向宝马公司提供电池管理系统的汽车零部件企业。以及亿能电子是国内技术优秀、市场占有率较高的电动汽车电池管理系统供应商,也向大储能系统集成商提供大型BMS产品。

逐渐燎原的虚拟电厂是噱头还是风口?

就在储能技术发展如火如荼的同时,一个新兴的概念正悄然走俏。今年3月发布的《“十四五”现代能源体系规划》指出,要推动储能设施、虚拟电厂、用户可中断负荷等灵活性资源参与电力辅助服务。此外,北京、上海等多地的十四五规划中也都点名提到发展和建设虚拟电厂。

虚拟电厂并不是真正意义上的发电厂,而是一种智能电网技术,作为储能技术的补充。其核心理念就是通过先进信息通信技术和软件系统,把各类分散、可调节的电源和负荷汇聚起来,形成一个虚拟的“电厂”进行统一管理和调度,也是为了弥合用电侧和电网侧双边的失衡。




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图源:站酷海洛

如今,被业界当做储能困境破局者的虚拟电厂方兴未艾,吸引着各路玩家纷纷入局。2022年7月,特斯拉公司在加利福尼亚州推出一项虚拟电厂试点计划,邀请两万五千户安装有屋顶光伏、电池体系的家庭,组建一个局部的虚拟电厂能源网络。它将根据电网统一要求,在电网用电紧急的时候,统一减少用电;而在用电低谷,则将电池里面存储的电量,反向卖回给电网。此外,国内也有不少从业者纷纷开启虚拟电厂探索,比如天楹股份、电享科技、国能日新、特来电、零碳智能等等。总之,虚拟电厂被寄予厚望,在电网结构向清洁低碳转型的背景下,物美价廉的虚拟电厂是否能够充分消纳清洁能源发电量,助力充电基础设施等配套服务体系不断健全?我们拭目以待。

结语

深究此次高温限电的困境,不难发现新能源汽车充电焦虑到底还是能源利用问题。看天吃饭的新能源比例不断增高,但缺乏高效储能技术导致用电低谷期大量可再生能源难以得到有效利用。聚焦储能技术发展已经是行业共识,对此,2022年慕尼黑华南电子展特别推出了“新能源”行业关键词,届时将汇聚优秀的海内外企业,展出其在能源领域的创新产品和技术解决方案。