储能行业的技术难点和发展方向在哪里——深入分析解读《新型储能制造业高质量发展行动方案》

关于这个问题，我之前写过一版：动力电池快充的原理是什么？，不过随着时间的推移，近来觉得把这个事再更清楚的给大家说一下是比较有意义的，所以今天给大家带来这个基础科普。其实不管快充和慢充的分界限是什么（比如是200kW是分界，还是300kW，这个都可以讨论），只要你要往电动汽车里面充电，其实都离不开以下的这样的一个过程：电能从电网到充电桩到电动汽车到电池系统最后再进入单体电芯，能量是一级一级的传递的。而在这整个过程中，任何一环节有短板，都会影响整个充电过程的快慢，所以充电过程中的木桶效应是很明显的。那今天我们就来看一下整个快充过程中每一个环节的机理为何，瓶颈有可能在哪。电网 “发输配用”基建落地——我们使用的电常常要从发电的地方传过来，通过（高压）输电和（中低压）配电网络，一直传到用电侧（在这里可以理解为对接下一个环节充电桩）。而在这个过程中，整个基建是要满足要求的：起码你得先有能传输这么高功率电能的能力，然后再谈下一个环节，供需平衡。“供需平衡”实时满足——我们生活中用的电能这种能源，得有地方发出来，不是凭空冒出来的。电能有一个特点，一般不能储存，所以常常需要“即发即用”——用电端这时要使用多少功率（千瓦），那发电侧就得实时的把功率给“怼”上去。哪怕只是一辆汽车的快充，比如干到300kW，这比起我们一般的家用负载可以说是大了起码一个量级，因此可以想象铺设大量的快充对于电网是有不小的冲击和挑战的。但是我们当然也有对策，比如：1）在发电侧配备高性能的发电功率容易迅速爬坡的先进机组，2）在用电侧充电桩边的小配电网处直接配一个大的储能充电宝，3）建设光储充一体站就地消纳绿色能源支持功率需求，4）基于需求响应的方法直接就地关掉一些可以暂时不用的负载——通过这些方法都可以增加供给/减少其它需求，使得这个供需的平衡更容易达成满足，从而解决“能量从哪里来的问题”。充电桩 核心功能是把电网得到的电能转化成汽车能“吃”的状态。充电桩承接从配用电网运输过来的电能，把它再转化成可以输入给电动汽车充电的电流。它主要得有以下的几个功能：1）电能转化，充电桩一般来说有功率低些的交流桩和高些的直流桩，它们需要把配电网上得到的（一般是）交流电转化成电动汽车可以“吃”进去的400V/800V适配不同电压等级的交流或直流电，通过充电线/充电枪“喂”给电动汽车；2）通信互动，充电桩和电动汽车的高压系统的通信协议互通，可以互相握手交互信息，这样就能做好协作，实时知道车侧充电的情况为何，从而保证高效安全的充电。随着技术的发展，充电桩的功能也越来越完善，比如充电枪线缆更轻更好拿，增加液冷保证充电功率，提高保护措施让充电更安全可靠等等，技术都是在不断发展进步的。整车 各种电气元件的协作：充电枪把电能从充电桩传入车端。如果传过来的是功率偏低的交流，需要先经过车上OBC-On board charger车载充电器转化成直流（因为电池是只能充放直流的！）；而如果传过来的是直流则可以不用经过OBC。然后直流电要根据系统用途的需求来进行各种不同的直流-直流DC-DC转换（比如给低压系统供电等，或者是充电桩的直流电电压与电池系统不同的话都要经过调整），然后给动力电池供电的这最主要的一路的电流则要经过母线（Busbar）来到PDU-Power Distribution Unit，即高压配电单元，在这里经过“大脑BMS”的调整和指挥，相应的再把电能传到电池包里（的模组和电芯处）或者其它用电处。800V vs 400V, SiC vs Si：整车这里刚提到了几种不同功能的电气元件，他们就涉及到大量的功率半导体的使用，之前400V时代基本都是Si基材料，而随着技术的发展800V高压快充则要求更好一代的材料支持，因此现在800V-SiC基功率元件发展很快。对电气件综合性能的要求：这一节说到的基本很多都是汽车用的EE元件，对于它们综合电气性能有很多要求，比如防电磁屏蔽干扰的能力，对于各种安全极端情况的耐受能力（比如过电流/电压）。以及还要强调一点：这些EE件都得是车规级，要耐震、冷/热极端环境，可不能用其它等级要求更低的原件，会有很大的问题的。电池包 电池包与母线BUSBAR：电流经BMS的指挥从高压配电单元PDU过来来到电池包内部，然后就要经过电池包内部的母线（Busbar）来到模组（如果有的话）并最后来到每一节单体电芯处。母线的话，是需要走大电流的，而800V的新的系统因为相应的电流小一些（参考高压输电原理，高电压可以用细电线）母线就可以做的更细，发热和成本在这方面就会更低，但是要注意：在绝缘和高压防护方面相应的是需要做更多的工作的。提供电芯工作需要的良好均匀的环境：后面介绍中会说到，电芯快充受到环境因素的明显影响，我们的电池包就需要给电芯提供一个坚强（机械上防护充分）、温度温和均匀（保证每一节电芯的热环境一样，从而保证出力能力相同）的环境。电芯 单体电芯快充落上去的仍然还是标准电压，只是电流大点！然后电流从电池包中进入一节节的电芯，注意这些电芯单体是以串/并联的方式成组的，但是总体来说一般还是串联的比较多，一节电芯3.7V，200节串联就是3.7*200=740V基本就是大家知道的800V。为什么要再强调这一点呢？因为每一节电芯单体的充电，最后落在上面的电压基本还是匹配它的单体电压的，高压充电说的是全系统– 电能传输的阶段（大功率传输，降低损耗）用的电压高，最后分给每节电芯的实际的电压还是正常的，如果太高了那叫滥用，只是电流在快充时肯定会更大。电芯快充的条件需求？影响因素多，析锂是主要矛盾，而且还受荷电状态和温度的影响：电池的快充的本质仍然是一节节单体电芯的快充，充电一般来说比放电要更难，最大的挑战就是此时锂离子来到负极后嵌入石墨基体的动力学难题：电流太大它们就进不去石墨，然后就只能在石墨负极表面析出，形成成树枝一样的锂单质，这有可能进一步刺穿隔膜，导致其它一系列的老化和安全问题，非常不利。因此实际开发中，我们必须保证充电的曲线制度不会违反析锂边界，得到的允许的电流曲线一般是这个样子的。从上图可见，锂电池的析锂边界是随着SOC荷电状态的上升一般来说是不断下降的，所以大家看到的快充制度都是随着充电量越多，允许电流就越小，这是由物质本征特性决定的。然后还没完——温度也很重要。电池所处的温度低了：动力学差，快充也会受影响，所以这时要快充要么加热，要么就干脆充慢。但是温度高了快充：带来的加热效应也可能带来电芯的加速老化和安全问题，所以一般可能40~50度后就必须要限电流，保证电池温度一般不要超过60度。温度分布均匀性也很重要：然后一个大的电池系统温度得尽量处处一致，否则有的地热有的地凉，用一个电流充，可能有的地方实际上已经超过了允许的边界已经析锂了，所以在电池包/系统层面上，做好均匀的热管理对于电池的热管理是非常重要的。以上就是这篇基础科普文的主要内容，我是弗雷刘，希望大家多多点赞关注和转发，我会努力给大家带来更多关于电池、新能源汽车和能源行业的靠谱干货，祝蛇年巳事如意，越来越好啦！来源：弗雷刘