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发挥系统支撑作用开拓碳中和新蓝图,关键技术助推锂电储能多场景加速落地

2021-12-22 10:22:53 阅读:
储能正在成为实现“碳达峰”、“碳中和”目标的重要抓手,也是稳定电力系统的重要手段,是实现并保障高比例可再生能源的新型电力系统运行的强力支撑。

前不久,国务院印发的《2030 年前碳达峰行动方案》指出,到2025年新型储能装机容量达到3000万千瓦以上。而国家发改委和国家能源局稍早前发布的《关于加快推动新型储能发展的指导意见》也明确了储能发展目标:新型储能装机规模从2020年底的3.27GW增长至2025年的30GW,五年间年均复合增长率约55.8%。种种政策和产业风向都表明,国内新型储能建设正在高速增长的“美好时代”。qj3ednc

市调数据显示,2020年全球储能装机仍创新高,新增装机达5.3GW/10.7GWh,其中中国和美国新增装机都超过1GW。储能正在成为实现“碳达峰”、“碳中和”目标的重要抓手,也是稳定电力系统的重要手段,是实现并保障高比例可再生能源的新型电力系统运行的强力支撑。对此,ADI中国产品事业部高级市场经理王星炜表示:“无论是分布式光储配套还是集中式可再生能源储能协同,储能与可再生能源的结合是我国乃至全球低碳化发展的必然趋势。” qj3ednc

风光储能充电站储能……多应用场景成熟助推储能落地

新能源与清洁能源使得能源的产生、存储、输送、利用这一系列过程发生了巨大变革,带动新型智能化输配电与储能技术的发展,以提供安全、可靠、绿色、高效能源动力保障。在此过程中,电力储能经过十几年的发展已经从实验室迅速走向规模商业化。qj3ednc

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储能在新能源、汽车充电、工业以及生活场景中的应用模式越来越清晰化qj3ednc

储能在新能源电网侧和应用侧都扮演着重要的角色。由于新能源并网必然导致电网稳定度受到影响,例如风能的季节性,太阳能日出日落的周期性……为了把新能源更好的用起来,必须克服它的波动性,而储能系统可以实现平衡。业界有说法认为新能源达到15%以上就会对电网稳定性影响很大了,而30%可能就是一个红线。“我们要解决低排放,必须要发展绿色能源,如何让新能源安全可靠的在电网当中运行,储能非常关键。”王星炜强调。qj3ednc

而储能应用发展到今天,已经不仅仅是新能源电网侧的储能需求,从电动汽车充电站、工业供电储能到家用储能,已经呈现“多点开花”加速落地趋势。“虽说现阶段不少充电站直流快充桩已普及,但针对未来有多个大电流、高功率密度的直流桩同时工作的工况,为解决交流侧能量供给不足的现实及多种能源协调发展的规划,在电动汽车直流快充电站加装储能系统已成为行业共识。”王星炜指出。qj3ednc

考虑到有多个充电桩的充电站场景,电网需要针对高峰充电提供的峰值功率通常可能超过1 MW,这会造成电网可能在多个点上崩溃,或者需要投入巨额资金改善输电线路或集中式发电厂,大幅提高基本负荷。“新能源电力+储能+充电桩将形成一个多元互补能源发电微电网系统,在绿色能源云的管控下,储能系统充当中间平衡器,不仅能有效平抑对配电网的负荷冲击,降低充电站配电线路成本,还可以实现光伏自发自用、余电存储,结合储能峰谷套利,最大限度利用峰谷电价,达到经济效益最大化。”王星炜进一步解释道。qj3ednc

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储能系统促进电动汽车充电基础设施建设qj3ednc

高精度18通道BMS方案多维度赋能储能系统设计

无论是电动汽车还是储能,都离不开电池管理系统(BMS)的赋能角色。“常见的储能站相当于上万个电池在一起,规模比电动汽车大得多,比起电动汽车,大规模推进锂电池电网储能技术,在高性能、稳定性、安全上要求更为严格,这其中高性能BMS的关键作用不可或缺。”王星炜指出,“ADI覆盖整个能源的产生、传输、利用及存储的全过程,通过包括电池BMS在内的系统和芯片技术赋能绿色能源云,让可再生能源的使用更加合理,实现全生命周期节能减排。”qj3ednc

从BMS角度来看,电动汽车电池包与储能电池包本质上是一致的,差别在于电动汽车电压等级基本上到300伏、400伏这个等级,储能需要800伏左右,未来可能1000伏,甚至到1500伏。随着电压等级的提高,对电压、稳定度、充放电的稳定度,以及由于发热带来的温度变化就变得更关键了。“精确可靠的电池荷电状态(SOC)和健康状态(SOH)计算最长可使电池寿命延长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。” 王星炜指出,“为此, ADI中国产品事业部推出了面向工业储能的高精度18通道电池管理芯片ADBMS1818,专门针对储能应用进行了优化的系统设计。”qj3ednc

作为一款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。“由于ADBMS1818可在290 μs内测量所有18个电池单元,对于像50V这样的电池模块可以单芯片实现支持。对于像储能应用场景而言,多个ADBMS1818器件串联便可以同时监测很长的高压电池串。” 王星炜强调道。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。qj3ednc

值得一提的是,在排列为电池组或模块组的大型电池包的系统中,很多应用需要进行电池均衡,解决不同电池电芯在老化过程中由于多种因素导致的性能差异,例如电池组温度梯度差异,超过SOC上限工作的电池电芯过早老化导致损失额外容量等等,这些差异以及自放电和负载电流的小差异都会导致电池不平衡。“针对于过充或欠充可以通过被动均衡来解决电池不平衡的问题,ADBMS1818可提供200mA的被动均衡能力。此外ADBMS1818有9个通用数字I/O接口可以作为温度的测量,这些功能共同组成了单芯片完成一个电池包所有检测的功能。如果把这些数据都送到整个电池架的管理单元,每个电池包的设计便会大大简化。” 王星炜补充说到。qj3ednc

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当前电池组的模块化设计一方面增加了可扩展性、服务能力和外形尺寸的灵活性,另一方面要求为电池组间的数据总线提供电气隔离。此外,电池组之间的布线必须能够承受高水平的电磁干扰。隔离式双绞线的数据总线是一种能够以紧凑且经济高效的方式实现这些目标的可行解决方案。与传统的菊花链通信结构不同,ADBMS1818集成了隔离的SPI接口,与SPI主控制器的通信通过ADI LTC6820 isoSPI转SPI信号转换器,实现了不受RF干扰的远距离高速通信,能够在两个完全电气隔离的器件之间实现SPI通信所需的双向数据传输。“这样便把电池包组成非常安全、可靠的区块链形式,以堆叠方式构建模拟前端可完美实现各类储能系统的搭建。这种可堆叠多节电池监控器,在物理上一旦当中有损耗,控制器端都可以通过隔离SPI读到每个芯片的数据,增加了整个电池管理系统的可靠性。”王星炜表示。qj3ednc

锂电池产业生态持续优化,储能应用落地将持续再加速

行业数据分析显示,过去十年光伏发电的度电成本已经下降了89%,我国近80%的国土上光伏发电成本都已经低于燃煤。随着电动车爆发带来的产业链推动,电池成本将会持续下降,光伏+锂电池储能成本会不断降低。根据GTM数据,2012年到2017年电化学储能电站成本大幅下降78%,业界预计未来到2030年储能成本会下降到1000元/kWh,我国大部分地区光储结合都可以实现平价。目前,以磷酸铁锂电池为主的锂离子电池建设的储能电站已经在浙江、湖南、江苏等省份建立。qj3ednc

此外,随着电动汽车市场的突飞猛进,相关研究表明目前我国首批新能源汽车的动力电池全面迎来“退役期”,预计在未来5年的时间中,由于中国新能源汽车的快速发展,累计退役动力电池的总重量将超过80万吨。“当汽车的锂离子电池的充电容量下降到初始容量的 70% 到 80% 时,便无法再为汽车提供动力。但事实上这些电池实际上并非不具备电能力,依然可以在储能等领域实现 5 至 10 年的寿命。”王星炜提到电动汽车退役电池的梯次利用时说道。qj3ednc

而说到梯次利用则不得不提及国家能源局前不久发布的《新型储能项目管理规范(暂行)(征求意见稿)》,该文件要求在电池一致性管理技术取得关键突破、动力电池性能监测与评价体系健全前,原则上不得新建大型动力电池梯次利用储能项目。由于当前退役电池存在缺乏“电池一致性管理技术”,“动力电池性能监测与评价体系”缺位的问题,特性不一致、缺乏权威监测的回收电池用于储能应用具有极大的隐患。qj3ednc

“ADI很早就注意到这个问题,为此我们推出了无线BMS(WBMS)很好的解决这个问题,我们和中国电动汽车百人会发起成立了‘电池全生命周期联合创新中心’, 就旨在联合电池制造商、整车厂、充换电基础设施提供商、电池梯次利用厂商等产业链上下游企业,基于无线BMS技术共同实现对电动汽车核心部件电池的关键特性持续监测,实现更精准、安全的电池生命周期管理,为相关产业链企业协同提供重要数据支撑。” 王星炜指出。按创新中心的构想,所有基于WBMS技术的电池在整个使用寿命中都可以持续收集电池数据并实现云存储,这些数据为二手车交易、退役电池梯次利用在内的整个产业生态提供准确权威数据。qj3ednc

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ADI的无线BMS监测解决方案可以覆盖电动汽车电池的全生命周期监测qj3ednc

目前ADI无线BMS技术已经获得包括通用在内的多家知名整车企业采用,而储能BMS方案也获得包括中国企业在内的产业链广泛应用。“ADI现已设定到2030年实现碳中和、2050年实现净零排放的企业战略目标,要想实现该目标,需考虑生产工艺和流程等多环节的低碳创新,还要与第三方合作,通过专有绿色技术和客户一起探索新的解决方案,无疑新能源发电、储能、电动汽车将是我们为绿色地球做出重要贡献的主要方向。”qj3ednc

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