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把握电池的“身份危机”

2022-12-20 10:04:55 Bill Schweber 阅读:
我们应该将电池视为电源,还是只是过渡性的能量储存容器?这不是个刁钻的问题:答案取决于它们的使用方式和位置,以及含义和对其作用的理解。我之所以考虑这个问题,是因为我看到将电池作为一种永无止境的电源获得了广泛的关注,甚至规模更大。

我们应该将电池视为电源,还是只是过渡性的能量储存容器?这不是个刁钻的问题:答案取决于它们的使用方式和位置,以及含义和对其作用的理解。hszednc

如果我们只使用一块电池来为自己的设备、工具或任何东西供电,我们可以将它视为电源。但是从更大的角度来看,除非为电池充电或更换电池,否则它只是一个耗尽储存能量的蓄电池。换句话说,正如陈词滥调所说,我们在这个问题上的立场取决于自己所处的位置。(请注意,此讨论中隐含地包含了超级电容器;尽管其使用了一种非常不同的能量储存机制,但其仍然代表着一种可充电的类似电池的器件。)hszednc

我之所以考虑这个问题,是因为我看到将电池作为一种永无止境的电源获得了广泛的关注,甚至规模更大。例如,最近有一个研究项目讨论了一种新型电池。在这种情况下,“Micro-supercapacitive stone module for natural energy storage(用于自然能量储存的微型超级电容石头模块)”项目讨论了韩国国民大学和韩国金乌国立工科大学的研究人员如何将石材制成超级电容而将其用作储能系统(ESS)单元——这些单元足够坚固,可用于厨房柜台,因此就可将其内置到房屋里(图1)。hszednc

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图1:通过在天然石材表面制造高性能非对称微型超级电容器(MSC),研究人员设想了一种可扩展的储能墙,可将其用作整个建筑界面内部或外部的三维能量站。(图片来源:American Chemical Society)hszednc

好的,到目前为止一切顺利。但是与这项研究相关的一些公关信息却超越了这个角色,这意味着他们已经想出了一种新方法来使用这些可以把台面和墙壁变成电池的石头来为未来的智能家居系统供电。有一些诸如“Future smart homes could be powered with electronics built on stones(未来的智能家居可以由建在石头上的电子设备供电)”的标题,还有一些报道将这些超级电容阵列称为“电源”,它们是或不是,这取决于个人的观点。hszednc

即使这些超级电容器台面的储能容量(Wh)足以为房子供电一段时间,但为它们充电所需的能源是什么:太阳能、风能还是其他?这些故事有种“不劳而获”的味道,这意味着电池是无限的能源。然而,正如我们所知,在能源和电源方面,很少有免费的午餐。hszednc

我对将氢作为燃料电池替代燃料的讨论也有同样的担忧。的确,可用的氢含量巨大,但要让它成为一种燃料并不容易。无论使用基本的电解水还是更先进的工艺,所提取的氢气仍然是一种储存能源。然而,许多关于氢的好处的讨论,都暗示着它是一种一次能源,而不是一种存储介质。hszednc

更让人困惑的是,人们关注于在所谓的“车辆到电网”(带有时髦的缩写V2G)中使用电动汽车及其电池的“电源”。在很多方面,这似乎是个好主意:当电网出现故障时,可以使用所有电动汽车电池来支持家庭甚至电网;更好的是,当电动汽车收集到它们不会立即需要的“额外的”电力时,它们可以将此多余的电力送回电网(图2)。hszednc

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图2:在“车辆到电网”拓扑中,车内的电池可以用作储能系统(ESS)的基础,该系统可以向电网供电以及从电网充电。(图片来源:Elsevier/Science Direct)hszednc

除了这一点,如果我退后一步,试图得到一个概括,那就是这个讨论有点永动机的味道——当汽车向电网发送能量以及电网为汽车充电时,能量以循环关系来回移动。这个安排中的每一方都想当然地认为对方会提供电能,但这可能不是一个可行的长期计划。此外,V2G还要求为每辆车都配备一个双向电源转换器,这就增加了设计复杂性、散热问题、空间要求,当然还有成本。hszednc

毫无疑问,在某些情况下,让所有这些车辆在适当的条件下自愿将把宝贵的电池能量转存到电网上是有意义的,但我并没有看到这种情况经常发生或者大规模发生。人们愿意花大价钱购买电池容量更大的汽车,以便获得更长的续航里程,结果却发现自己把一部分能量转移到匿名电网上,这看起来确实有点讽刺或者一厢情愿。hszednc

这并不是说,将车辆的电池用作交流电源没有任何作用——与支持电网无关。广受欢迎的配备有完整Pro Power Onboard系统的福特F-150,就拥有内置的发电机和全功率面板——当电池电量变低时,该面板可将卡车的发动机用作发电机,因此就可使床上的家用式120V插座保持有电并有效,如图3所示。hszednc

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图3:福特F-150所配备的完整的基于电池的ESS,能够提供120/240VAC,并可根据需要从主发动机对电池组进行自动充电。(图片来源:福特汽车公司)hszednc

该发动机可根据需要启动和关闭来保持系统供电;对于混合型号F-150,它可以为工具、灯甚至电器的运行提供高达7.2kW的可用功率。尽管如此,将其用作本地工作或在停电期间实现供电的高级发电机,与在V2G模式下使用它来支持电网是非常不同的。hszednc

我们可以在许多在线资源中看到一些有趣的V2G观点和预测,包括IEEE Spectrum杂志中的三篇最新文章(参见参考文献)。请注意,V2G在非技术媒体和网站上也得到了相当多的关注,但其中大部分在技术事实上完全是错误的,并在关键问题上造成了混淆或混乱。hszednc

您如何看待将V2G作为一种基础广泛的方法,即利用汽车电池来储存可再生能源等各种能源所产生的多余电力,然后在需要时将这些电力输送到电网的可行性?这在技术上可行吗?值得吗?会大规模发生吗?还是只是一次“学术”练习,仅此而已?hszednc

电动汽车电池技术有何发展?在“中国国际汽车电子高峰论坛”的“动力电池与智能充电技术”分论坛上,上海国轩、顺络、茂睿芯、东软睿驰、ADI和安悦将分别发表“功能安全在动力电池多尺度智能充电应用”、“高可靠性变压器助力BMS和智能充电技术发展”、“智芯智行-聚焦车规级芯片”、“域控下的基础软件部署”、“打造高品质新能源与智能汽车芯片”和“万物互联时代的智能充电新思考”主题演讲。会议同期还设有“智能座舱与人机交互”、“智能驾驶与预期功能安全”和“电驱电控系统与功率半导体”分论坛。欢迎大家前来学习交流。点击这里报名参加。hszednc

参考文献

  1. IEEE Spectrum, “Ford, Volkswagen, and GM Explore EV-Powered Houses
  2. IEEE Spectrum, “What V2G Tells Us About EVs and the Grid
  3. IEEE Spectrum, “This Dutch City Is Road-Testing Vehicle-to-Grid Tech”
  4. Journal of Electronic Science and Technology, “Technical investigation on V2G, S2V, and V2I for next generation smart city planning

(原文刊登于EDN美国版,参考链接:Grasping at the battery "identity crisis",由Franklin Zhao编译。)hszednc

本文为《电子技术设计》2022年12月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里hszednc

责编:Franklin
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Bill Schweber
EE Times/EDN/Planet Analog资深技术编辑。Bill Schweber是一名电子工程师,他撰写了三本关于电子通信系统的教科书,以及数百篇技术文章、意见专栏和产品功能介绍。在过去的职业生涯中,他曾担任多个EE Times子网站的网站管理者以及EDN执行编辑和模拟技术编辑。他在ADI公司负责营销传播工作,因此他在技术公关职能的两个方面都很有经验,既能向媒体展示公司产品、故事和信息,也能作为这些信息的接收者。在担任ADI的marcom职位之前,Bill曾是一名备受尊敬的技术期刊副主编,并曾在其产品营销和应用工程团队工作。在担任这些职务之前,他曾在英斯特朗公司(Instron Corp., )实操模拟和电源电路设计以及用于材料测试机器控制的系统集成。他拥有哥伦比亚大学电子工程学士学位和马萨诸塞大学电子工程硕士学位,是注册专业工程师,并持有高级业余无线电执照。他还在计划编写和介绍了各种工程主题的在线课程,包括MOSFET基础知识,ADC选择和驱动LED。
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