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户用储能迎来爆发式发展,有哪些先进技术可以在背后支撑?

未来光伏户用储能系统的效率和功率密度是最制约未来产品竞争力的重要因素。

我们所处的时代最大的挑战是什么?从全球的角度看,气候变化是目前最大的挑战,比如温室效应、全球气候变暖以及海平面的上升。所有这一切都跟二氧化碳的排放量相关。根据权威机构IEA的调研,从1910年到2022年,过去一百年的时间,二氧化碳的排放量呈指数级递增,2022年达到顶峰36.8Gt的二氧化碳排放量。我们这个人类大家庭要让地球更好发展,每个人都要贡献自己的一份力量。MBKesmc

在二氧化碳36.8Gt的排放量中,最大的排放量(40%)来自于发电。第二部分是工业应用,占25%,传统上通过煤、油、气来发电,二氧化碳排放量就非常大。要做到对地球友好,就一定要扩展新能源的应用,包括风能、光伏发电。第三部分是一些国家和地区布局的风能或太阳能发电。但这些新能源发电有一个天生的特点,就是不持续性或间歇性。在过去很多时候,新能源发电甚至被称为垃圾电,因为它不能很好地被电网利用。这时,就需要做储能。MBKesmc

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可以把储能简单分成两大部分:表前储能和表后储能。表前储能又分两大块:首先是发电侧的储能,比如风能发电站、光伏发能站;其次,要将发的电传输到千家万户,就有配电侧的储能。表后储能也分为两大块:一部分是家用的储能,另一部分就是工商业的储能。MBKesmc

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那么,在表后户用储能部分,都有哪些先进技术可以在背后进行支撑呢?MBKesmc

日期,在第11届EEVIA年度中国硬科技媒体论坛暨产业链研创趋势展望研讨会上,英飞凌电源与传感系统事业部应用管理高级经理徐斌带来“英飞凌一站式系统解决方案,助力户用储能爆发式发展”主题演讲。据介绍,在表后户用部分,储能很多时候是作为自发自用,也即在自己家里安装太阳能板,将所发的电存储到自己家里的储能设备。这主要以电池为主,供自己家里的电器使用。同时它还承担了一定的电网调节作用,特别在夏天,把空调开起来,或者在冬天,把暖气开起来,储能可以承担调峰的作用。MBKesmc

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英飞凌电源与传感系统事业部应用管理高级经理徐斌MBKesmc

讲到户用储能,根据它的技术特点又可分为两种:一部分是交流耦合;另一部分是直流耦合。交流耦合就是装了储能系统,跟电网和逆变器的输出部分做能量交换。直流耦合的能量交换则是跟逆变器的直流母线。也就是说,它的能量可以来自两个部分:一部分从太阳能光伏板取电,另一部分则通过电网取电,所以至少可从两个方向来取电。MBKesmc

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交流耦合和直流耦合分别针对什么市场呢?交流耦合主要针对存量市场。“光伏已经发展了这么多年,在很多欧洲国家或者国内用户,他们自己已经配备了光伏或太阳能分布式系统,但十年前或者五年前大家都没有配储能,现在发现电价贵了,或者突然想装储能了。要装什么样的储能呢?这时候就会装交流耦合,因为以前的逆变器不太适合从DC的部分把能量传输出来,所以存量市场一般会首选交流耦合。此外,还有北美市场也更喜欢装交流耦合,代表性的有特斯拉的Powerwall。”徐斌介绍道。MBKesmc

直流耦合比较受欢迎的是在一些新装的市场。新装市场需要同时考虑光伏发电及储能,比较有代表性的是特斯拉前不久发布的Powerwall 3。MBKesmc

户用储能这十年来非常火。据IHS的最新报告,储能近十年的发展可以达到30.9%的CAGR。然而,根据最近国内上市公司财报,有些业内人士可能会有疑惑,今年的储能似乎没有那么火,甚至有些公司Q2环比比Q1还衰减了。MBKesmc

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徐斌解释道,首先这个市场的发展,它的安装量确实在迅猛发展。但是因为在2022年它真的太火了,每个地区都在爆发式地发展,所以导致以前不是做储能的厂商都进军了储能,从而造成目前市场上的供大于求的情况。他认为,目前这个市场只是暂时性的低迷,在三个月或六个月的库存消耗完以后,户用储能还会朝着良性的趋势发展。MBKesmc

如下图所示,橙色部分代表户用储能安装量,紫色部分代表出货量。2022装机需求大约在14000MW,但实际出货量可能接近18000MW,因此2022差不多有4000MW的库存积压,也即储能逆变器或储能系统安装商每家都有很多库存。“所以,等紫色跟橙色的gap消耗完以后,整个储能还是会更加健康地发展。”他补充说。MBKesmc

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徐斌认为,2023年比2022年的发展相对缓慢,主要原因有很多:MBKesmc

第一,去年受战争和能源危机的影响,在欧洲有着迅猛发展。随着欧洲能源供需情况得到缓解,能源价格在2023年有很大的回落,这样会影响到户用储能的装机热情。所以可以看到2023年虽然还是持续增长,但增长幅度相比2022年有很大的减小。MBKesmc

第二,跟经济大环境有关。在欧洲、在北美,它的通胀会影响到大家装户用储能的热情。MBKesmc

第三,国外跟国内的情况不一样。国外还是非常欠缺PV板,即光伏组件和储能一体化系统安装有经验或合格的劳动力资质,这块在欧美比较欠缺。虽然生产了很多的逆变器或储能系统,但因为缺少有资质的安装商,所以造成了在安装渠道上有一定量的积累。MBKesmc

户用储能应用趋势和需求

这十年,户用储能的增长已经达到30.9%。未来的户用储能会往什么方向发展,有什么特点呢?下图给了我们一个很好的启发。MBKesmc

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首先,以前的户用光伏系统只是一个单纯的光伏发电功能,可能是一个微型逆变器,也可能是一个分布式的光伏组件加一些优化器。但近年来,光伏安装会配备储能,这是一个特点。MBKesmc

其次,随着未来户用储能的需求更加强烈,也伴随着新能源汽车的爆发,大家需要把充电跟储能和光伏系统做搭配,也就是现在非常热的光储充一体系统。MBKesmc

最后,除了硬件上的光储充一体系统以外,在户用储能市场还会有软件方面和能源管理方面的突破。每个家庭装了光储充一体机以后,形成自发自用的能量微网,特别在一些偏远地区,或者在欧美国家,在电网没有那么顺畅或者电网出现问题的时候,就完全能满足自己家庭的使用。MBKesmc

中国有很多厂商都在做户用储能系统。那么这样的系统有什么技术要求或特点呢?MBKesmc

在调研了很多公司,并融合了自身对市场的看法后,英飞凌觉得以下几条非常重要:MBKesmc

第一,未来,光伏一定要搭配储能。MBKesmc

第二,光伏储能电池的容量、储能系统的体积大小、储能系统的重量,以及储能系统的成本,所有这些重要特性都是跟电源转换效率相关。也即如果效率做得更高,体积和成本也就都能得到相应的提升。MBKesmc

第三,因为很多储能系统用在户用,户用的条件就限制了体积不能太大,里面的散热全部都是无风扇散热,也即通过自然冷却散热。这时如何选择半导体元器件,保证它的温升最小,这也是很大的挑战。MBKesmc

总结来说,基于以上三条,未来光伏户用储能系统的效率和功率密度是最制约未来产品竞争力的重要因素。MBKesmc

英飞凌一站式解决方案及产品亮点

如何应对这样的高功率密度、最小的温升等挑战呢?英飞凌强烈推荐使用SiC MOS,也就是第三代半导体。第三代半导体有以下四点优势非常匹配当前户用储能方案的需求:MBKesmc

第一,从现在硅器件转到碳化硅系统,可以提升很高的效率;MBKesmc

第二,SiC MOS的体积比较小,可以提升功率密度;MBKesmc

第三,它非常灵活,SiC MOS的pin脚或使用方法都可以跟硅的系统做到无缝连接;MBKesmc

第四,它的Scalability非常好,从650V,到1200V,1700V都有。MBKesmc

下图是户用储能系统的Function Block。简单来说包括两大部分:一是储能的介质,也即电池包;二是它的功率转换部分。功率转换又分为两个部分:一是DC/DC转换;二是逆变或DC/AC转换。跟传统的光伏系统很大的不同之处就是能量在里面双向传输——以前的光伏系统只是单向的能量流动,现在的户用储能既要充电又要放电。MBKesmc

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其中,英飞凌可以提供一站式的解决方案。英飞凌目前提供的产品包括功率器件、MOS、IGBT、IGBT模块等,还可以提供MCU、安全保护芯片、电流传感器等方案。因此,在整个户用储能中,英飞凌可以提供一站式的解决方案,帮大家做最快最易用的设计。MBKesmc

就宽禁带半导体和硅基器件而言,英飞凌是目前全球仅有少数几家能同时做到以上三种半导体的公司,从硅的MOS和IGBT到碳化硅650V到1200V的MOS、包括GaN的产品。英飞凌是这个行业里面做得最完整的公司,徐斌补充说。MBKesmc

另一方面,以上这三种产品,它们的设计和生产、封装全部是由英飞凌自己内部控制,这样的话就可以把产品品质做到极致。MBKesmc

下面来看下英飞凌在中压MOS的产品路线图。在中低压MOS方面,英飞凌有2个产品系列:StrongIRFET和OptiMOS。StrongIRFET产品来源于2016年英飞凌收购的IR公司。英飞凌在收购这家公司以后,对该产品也做了一些升级,比如StrongIRFET 2。OptiMOS则是英飞凌传统的中低压MOS的产品,目前也已发布第六代产品。MBKesmc

从产品性能来看,OptiMOS 6目前在全球处于遥遥领先的位置。“从两个维度来看,一是从100V产品的RDS(on)来看,目前英飞凌可以做到2.2mΩ,而最好的对手产品是3.2mΩ。我们差不多比对手小30%左右。第二,如果从ΔQg来看,我们的指标要比对手小差不多27%,比我们上一代产品小50%左右。”徐斌介绍说。MBKesmc

目前英飞凌在650V/750V有很多产品,包括硅基器件、碳化硅和GaN,那么怎么看这几个产品的定位呢?特别是对于工程师来讲,现在有GaN和碳化硅,那么在做系统设计的时候要怎么选型呢?在低压、功率比较小、开关频率比较快的领域,英飞凌推荐使用GaN的器件。另一方面,在开关频率没有那么高,但功率等级比较高的领域,则推荐使用碳化硅的器件。MBKesmc

例如,在传统的NPC1的拓扑中使用650V的SiC MOSFET,跟传统的IGBT相比,在70kHz的情况下,效率提升了1.3%。MBKesmc

英飞凌也发布了第二代碳化硅MOS产品,以650V、57mΩ的产品做性能对比的话,可以看到第二代比第一代Qoss、Eoss、Ciss等性能降低了差不多30%。另一方面,第二代产品同时保留了易用性,V(GS)th还保持了很高的水准,差不多在4.5V。这样带来的好处就是,客户在0V时就可以对这个器件进行关断的操作。MBKesmc

参考设计和评估板

最后来看下解决方案。MBKesmc

英飞凌做了一个差异化的产品,5电平4kW的方案。通过这个解决方案,不需要用到600V的器件,仅仅用150V器件就可以了。它的效率也可以非常高,可以在80%负载时做到98.5%的效率,这个效率也远远优于传统的Heric的拓扑。MBKesmc

另外,英飞凌还提供双向的DC/DC Demo板、包括碳化硅图腾柱的Demo板等等。MBKesmc

除了碳化硅器件,氮化镓也是一个热点话题,英飞凌也做了一些GaN的Demo,以及Totem Pole的Demo等等,用户感兴趣的话也可以申请、测试。MBKesmc

总结MBKesmc

目前户用储能系统看起来很简单,其实它内部结构很复杂,里面涉及的器件很多。英飞凌可以提供完整的解决方案,提高功率密度并提升效率。英飞凌同时还有很多MCU、传感和通信器件,这些产品也可以带给用户更快更好的设计体验。MBKesmc

责编:Zengde.Xia
赵明灿
电子技术设计(EDN China)资深技术分析师。
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