储能行业将如何加速电源电路发展

储能为何是可再生能源面临的一大难题？

在过去几十年里，各国政府面临着越来越大的压力，需要逐步淘汰化石燃料，转而使用太阳能、风能和水电等可再生能源。最初，这种对可再生燃料的驱动力主要来自于减少与气候变化相关的全球 CO2 排放的愿望。然而，在过去两年中，两个新因素的出现，对气候变化的影响要大得多：那就是金钱和战争。

2020 年的新冠疫情给全球经济带来了冲击，导致生活成本上升、利率上升和供应链挑战。然后在 2022 年初，俄乌战争爆发，全球许多国家/地区切断了来自俄罗斯的石油供应，这无疑导致了大规模的能源价格上涨（特别是对那些一直依赖俄罗斯燃料的欧洲国家/地区而言）。

因此，西方国家/地区对能源独立的想法越来越感兴趣，而可再生能源是一个可行的选择。虽然太阳能电池板的价格已经大幅下降，且可再生能源系统的能效也大幅提高，但它们面临一个重大挑战：电力供应率。

太阳升起时，太阳能电池板的工作效率达到最高，风车在有风的日子里工作效率最高，这意味着可再生资源的能量每天都在大幅波动。更糟糕的是，北方地区（加拿大、英国等）的能源消耗往往在中午最低，在晚上最高（特别是在需要供暖的冬天）。然而，太阳能电池板却在完全相反的时间产生峰值功率。

目前，电网无法储存电能，这意味着产生的任何额外能量都被浪费了，正因为如此，可再生能源极其不可靠，运营成本也非常高。火上浇油的是，可再生能源的不可靠性意味着没有哪个电网可以 100% 依靠可再生资源，因此需要大量的化石燃料备用，以满足突发的能源需求。

为解决这一挑战，研究人员正在寻找创造储能解决方案的方法，以便在高峰生产期间储存多余的可再生能源，并在可再生能源输出较低时将这些电能反馈回电网。一个颇具前景的解决方案是使用大容量电池，因为它们具有高能量密度（意味着与其他储能解决方案相比，它们占用的空间很小），并且可以快速释放大量能量。但是这种电池系统成本高昂，而且极为易燃，因此仍然令工程师们面临不少挑战。

电动汽车如何解决这一问题

研究人员目前正在试验的一个激进想法是将电动汽车作为一个单一的大型虚拟电网电池，而不是大型专用设施。简而言之，插上输电干线的电动汽车不仅可以用来充电，还可以在用电高峰时向输电干线供电。假设充电点在社会上到处都是，并且停放的电动汽车大部分时间都连接到输电干线，那么这种技术不仅可以解决储能挑战，而且也不需要对电网技术或主要存储设备进行任何额外投资。

为了激励电动汽车车主，使用唯一序列号的注册车辆将计量其电池用于电网的进出电能，这将转化为支付给电动汽车车主的税费。此外，实时电能税费将允许车辆在电能价格最便宜的高峰电力生产期间充电，并在电能价格最高时将电力重新输入电网。

虽然这一想法听起来很美好，但这样一个系统的现实情况却给工程师们带来了诸多挑战。首先，实时能源税费系统需要 API，允许小型物联网设备请求实时能源价格，而实时能源价格的值取决于实时发电量。这意味着储能和发电的设备需要根据时间戳记录它们的输出，以证明它们当时确实产生了电力。

第二个挑战是，由于需要双向功能（即充电和放电），这种车辆的充电系统会很复杂。此外，插入系统的电动汽车储存的能量不得低于用户定义的水平，否则消耗过多不仅会牺牲电动汽车的续航里程，还会缩短电池的寿命（假设电池的充电周期数有限）。

不仅仅是可再生能源，电池也变得越来越普遍

尽管电动汽车和电网储能为电池技术的发展带来了巨大的进步，但电子器件不断融入日常设备也为电池和电池管理解决方案带来了新的机遇。 对小型设备的需求对工程师来说是一个特别的挑战，因为电池通常是设备中最重、最大的组件之一，因此减小电池的尺寸可以显著减小重量和大小。但这样会降低电池的整体容量，而这直接导致电池寿命缩短。因此，工程师通常需要开发节能技术，试图最大限度减少能耗，并利用专为电池运行而设计的组件（例如，使用移动处理器，而不是台式机处理器）。

笔记本电脑和智能手机就是一个明显的例子。尽管它们的体积越来越小，功耗也越来越低，但它们的电池寿命和处理器性能却在不断提高。这只能归功于半导体技术的进步，晶体管尺寸缩小以及栅极电压下降都可以降低能耗。

储能技术的进步面临哪些挑战？

到目前为止，我们已经讨论可再生能源如何因缺乏储能解决方案而受到严重影响，电动汽车如何成为可再生能源储能解决方案，以及日常电子产品如何帮助改进电池技术，但是储能解决方案在技术植入方面面临哪些挑战？

首先，任何由多个电池单元组成的电池系统都必须确保电荷均匀分布。虽然这对于只有几个电池单元的电池来说不是问题，但电动汽车和大规模储能设施中常见的较大系统可能有数百个（即使没有数千个）独立电池单元。由此产生的单元连接器数量、读取每个单元所需的 IC 以及管理算法，会使这种系统的构建和维护变得极其复杂。

其次，电池以直流电压储存能量，而不是交流电压，这在充电和放电时都有问题。从交流到直流的转换必须尽可能以最节能的方式进行（反之亦然），以最大限度地减少能源浪费。对双向转换系统的需求也带来了电路复杂性和安全问题，尤其是在处理可从多个电源向电路供电的电气系统时（这通常需要在熔断器盘和开关处设置警告，以实现适当的隔离）。

第三，电网应用中使用的大型电池系统无疑会处理大电压和大电流。此外，储存的大量能量不仅要求组件能够承受这种条件，而且还必须集成安全措施以防止电池损坏。例如，从电池吸取过多的电流会导致电池过热，而电池过热会带来引发火灾的严重风险。鉴于大多数高能电池是锂电池，这样的火灾很快就会演变成一场灾难，并引起失控效应，使附近的电池也失效。

第四，新版的电池系统通过大幅提高充电电流来实现更快的充电时间，这要求电源电路能够处理更大的电流。元件的大小与能处理的电流成正比，因此快速充电器无疑需要尺寸更大的电路。此外，电流增加会产生更大的热效应，因此必须适当处理这些额外的热量，否则会造成火灾风险。

储能行业将如何加速电源器件行业？

就储能而言，无论是充电、电流切换还是电池电压监控，电源器件都起着至关重要的作用。到目前为止，所涉及的问题将为电源器件行业的发展和整合提供重要的机遇。

第一个问题，也可以说是最重要的一个问题是，需要提高功率转换器的效率。即使转换器的效率达到 95%，但还有 5% 仍然是非常大的一个数字，这不仅造成能量浪费，而且浪费的能量几乎总是以热量的形式存在。例如，一个效率为 95% 的 1GW 电池储能设施，仍然会通过电线、组件和储能单元浪费总共 50MW 的能量。即使只提高 1% 的效率，也能为额外 20,000 个家庭提供电力。

此外，世界各地的政府继续通过立法，对消费设备和家用电器提出能效要求。因此，对更高效的功率转换器和放大器的需求也将增加，因为工程师们被迫从设计中榨取每一瓦特的额外能量。

对电池寿命更长、性能更高的小型设备的持续需求，也将有助于加快新型功率放大器和功率转换器的开发。如前所述，减小电池尺寸是减轻产品重量的最佳方式之一，但付出的代价是降低电池容量。高能效处理器有助于延长电池寿命，但付出的代价是性能下降。因此，使用高效率功率放大器和转换器，允许设计使用更强大的处理器，因为本来在能量转换中浪费的能量可以转而用于处理。

另一个可能有助于加速功率放大器和转换器发展的领域是能量采集器领域。在没有电源的偏远地区，物联网设备的使用越来越多，这就要求这些设备能够自己发电。能量采集器可以提供这种电源，但所涉及的能量规模很小，这意味着能量采集器中的功率转换器必须尽可能高效，以最大限度减少浪费。

电网中使用的能量器件无疑会涉及非常大的电压和电流。虽然传统半导体能够在这种环境下工作，但 SiC 和 GaN 等新功率技术的引入，为工程师带来了革命性的现代设计，让工作电压显著提高，且效率更高，设计尺寸更小。由于重量减轻和功率处理能力提高，更高的电压容差和更小的物理尺寸也为电动汽车和其他便携式高压设备提供了机会。

最后，高可靠性场景中的电源器件（如大规模电网电池）甚至可以集成智能解决方案，以实现高级电源监控和器件保护。例如，带有嵌入式人工智能处理器的小型微控制器可以集成到功率放大器中，并提供实时电流和电压监控。与传统的器件保护方法不同，这种系统可以提供预测性保护，防御异常行为。这也可以用于在造成损害之前向中央主机发出潜在问题的信号。

结论

随着储能和能效的重要性不断提高，功率转换器和放大器也变得越来越重要。可再生能源领域面临着储能的重大问题，除非能够建造大规模电池，否则工程师们可能不得不转而使用连接到电网的电动汽车作为大型虚拟电池。当然，这种电力系统需要先进的电力输送系统，能够以高效率进行双向能量传输，同时最大限度地减少对电池寿命的影响。

便携式设备将需要继续提高能效，以便电池可以做得更小，而集成到物联网设计中的能量采集器可以为功率放大器和转换器带来真正的增长机会。

最后，电网使用的大型电池系统的发展，无疑需要 SiC 和 GaN 等新的半导体技术，而此类系统的巨大成本可能会鼓励使用智能放大器，以提供预测能力，在潜在损害发生之前就能进行预测。