未來光伏戶用儲能系統的效率和功率密度是最制約未來產品競爭力的重要因素。
我們所處的時代最大的挑戰是什么？從全球的角度看，氣候變化是目前最大的挑戰，比如溫室效應、全球氣候變暖以及海平面的上升。所有這一切都跟二氧化碳的排放量相關。根據權威機構IEA的調研，從1910年到2022年，過去一百年的時間，二氧化碳的排放量呈指數級遞增，2022年達到頂峰36.8Gt的二氧化碳排放量。我們這個人類大家庭要讓地球更好發展，每個人都要貢獻自己的一份力量。
在二氧化碳36.8Gt的排放量中，最大的排放量（40%）來自于發電。第二部分是工業應用，占25%，傳統上通過煤、油、氣來發電，二氧化碳排放量就非常大。要做到對地球友好，就一定要擴展新能源的應用，包括風能、光伏發電。第三部分是一些國家和地區布局的風能或太陽能發電。但這些新能源發電有一個天生的特點，就是不持續性或間歇性。在過去很多時候，新能源發電甚至被稱為垃圾電，因為它不能很好地被電網利用。這時，就需要做儲能。
可以把儲能簡單分成兩大部分：表前儲能和表后儲能。表前儲能又分兩大塊：首先是發電側的儲能，比如風能發電站、光伏發能站；其次，要將發的電傳輸到千家萬戶，就有配電側的儲能。表后儲能也分為兩大塊：一部分是家用的儲能，另一部分就是工商業的儲能。
那么，在表后戶用儲能部分，都有哪些先進技術可以在背后進行支撐呢？
日期，在第11屆EEVIA年度中國硬科技媒體論壇暨產業鏈研創趨勢展望研討會上，英飛凌電源與傳感系統事業部應用管理高級經理徐斌帶來“英飛凌一站式系統解決方案，助力戶用儲能爆發式發展”主題演講。據介紹，在表后戶用部分，儲能很多時候是作為自發自用，也即在自己家里安裝太陽能板，將所發的電存儲到自己家里的儲能設備。這主要以電池為主，供自己家里的電器使用。同時它還承擔了一定的電網調節作用，特別在夏天，把空調開起來，或者在冬天，把暖氣開起來，儲能可以承擔調峰的作用。
英飛凌電源與傳感系統事業部應用管理高級經理徐斌
講到戶用儲能，根據它的技術特點又可分為兩種：一部分是交流耦合；另一部分是直流耦合。交流耦合就是裝了儲能系統，跟電網和逆變器的輸出部分做能量交換。直流耦合的能量交換則是跟逆變器的直流母線。也就是說，它的能量可以來自兩個部分：一部分從太陽能光伏板取電，另一部分則通過電網取電，所以至少可從兩個方向來取電。
交流耦合和直流耦合分別針對什么市場呢？交流耦合主要針對存量市場。“光伏已經發展了這么多年，在很多歐洲國家或者國內用戶，他們自己已經配備了光伏或太陽能分布式系統，但十年前或者五年前大家都沒有配儲能，現在發現電價貴了，或者突然想裝儲能了。要裝什么樣的儲能呢？這時候就會裝交流耦合，因為以前的逆變器不太適合從DC的部分把能量傳輸出來，所以存量市場一般會首選交流耦合。此外，還有北美市場也更喜歡裝交流耦合，代表性的有特斯拉的Powerwall。”徐斌介紹道。
直流耦合比較受歡迎的是在一些新裝的市場。新裝市場需要同時考慮光伏發電及儲能，比較有代表性的是特斯拉前不久發布的Powerwall 3。
戶用儲能這十年來非常火。據IHS的最新報告，儲能近十年的發展可以達到30.9%的CAGR。然而，根據最近國內上市公司財報，有些業內人士可能會有疑惑，今年的儲能似乎沒有那么火，甚至有些公司Q2環比比Q1還衰減了。
徐斌解釋道，首先這個市場的發展，它的安裝量確實在迅猛發展。但是因為在2022年它真的太火了，每個地區都在爆發式地發展，所以導致以前不是做儲能的廠商都進軍了儲能，從而造成目前市場上的供大于求的情況。他認為，目前這個市場只是暫時性的低迷，在三個月或六個月的庫存消耗完以后，戶用儲能還會朝著良性的趨勢發展。
如下圖所示，橙色部分代表戶用儲能安裝量，紫色部分代表出貨量。2022裝機需求大約在14000MW，但實際出貨量可能接近18000MW，因此2022差不多有4000MW的庫存積壓，也即儲能逆變器或儲能系統安裝商每家都有很多庫存。“所以，等紫色跟橙色的gap消耗完以后，整個儲能還是會更加健康地發展。”他補充說。
徐斌認為，2023年比2022年的發展相對緩慢，主要原因有很多：
第一，去年受戰爭和能源危機的影響，在歐洲有著迅猛發展。隨著歐洲能源供需情況得到緩解，能源價格在2023年有很大的回落，這樣會影響到戶用儲能的裝機熱情。所以可以看到2023年雖然還是持續增長，但增長幅度相比2022年有很大的減小。
第二，跟經濟大環境有關。在歐洲、在北美，它的通脹會影響到大家裝戶用儲能的熱情。
第三，國外跟國內的情況不一樣。國外還是非常欠缺PV板，即光伏組件和儲能一體化系統安裝有經驗或合格的勞動力資質，這塊在歐美比較欠缺。雖然生產了很多的逆變器或儲能系統，但因為缺少有資質的安裝商，所以造成了在安裝渠道上有一定量的積累。
戶用儲能應用趨勢和需求
這十年，戶用儲能的增長已經達到30.9%。未來的戶用儲能會往什么方向發展，有什么特點呢？下圖給了我們一個很好的啟發。
首先，以前的戶用光伏系統只是一個單純的光伏發電功能，可能是一個微型逆變器，也可能是一個分布式的光伏組件加一些優化器。但近年來，光伏安裝會配備儲能，這是一個特點。
其次，隨著未來戶用儲能的需求更加強烈，也伴隨著新能源汽車的爆發，大家需要把充電跟儲能和光伏系統做搭配，也就是現在非常熱的光儲充一體系統。
最后，除了硬件上的光儲充一體系統以外，在戶用儲能市場還會有軟件方面和能源管理方面的突破。每個家庭裝了光儲充一體機以后，形成自發自用的能量微網，特別在一些偏遠地區，或者在歐美國家，在電網沒有那么順暢或者電網出現問題的時候，就完全能滿足自己家庭的使用。
中國有很多廠商都在做戶用儲能系統。那么這樣的系統有什么技術要求或特點呢？
在調研了很多公司，并融合了自身對市場的看法后，英飛凌覺得以下幾條非常重要：
第一，未來，光伏一定要搭配儲能。
第二，光伏儲能電池的容量、儲能系統的體積大小、儲能系統的重量，以及儲能系統的成本，所有這些重要特性都是跟電源轉換效率相關。也即如果效率做得更高，體積和成本也就都能得到相應的提升。
第三，因為很多儲能系統用在戶用，戶用的條件就限制了體積不能太大，里面的散熱全部都是無風扇散熱，也即通過自然冷卻散熱。這時如何選擇半導體元器件，保證它的溫升最小，這也是很大的挑戰。
總結來說，基于以上三條，未來光伏戶用儲能系統的效率和功率密度是最制約未來產品競爭力的重要因素。
英飛凌一站式解決方案及產品亮點
如何應對這樣的高功率密度、最小的溫升等挑戰呢？英飛凌強烈推薦使用SiC MOS，也就是第三代半導體。第三代半導體有以下四點優勢非常匹配當前戶用儲能方案的需求：
第一，從現在硅器件轉到碳化硅系統，可以提升很高的效率；
第二，SiC MOS的體積比較小，可以提升功率密度；
第三，它非常靈活，SiC MOS的pin腳或使用方法都可以跟硅的系統做到無縫連接；
第四，它的Scalability非常好，從650V，到1200V，1700V都有。
下圖是戶用儲能系統的Function Block。簡單來說包括兩大部分：一是儲能的介質，也即電池包；二是它的功率轉換部分。功率轉換又分為兩個部分：一是DC/DC轉換；二是逆變或DC/AC轉換。跟傳統的光伏系統很大的不同之處就是能量在里面雙向傳輸——以前的光伏系統只是單向的能量流動，現在的戶用儲能既要充電又要放電。
其中，英飛凌可以提供一站式的解決方案。英飛凌目前提供的產品包括功率器件、MOS、IGBT、IGBT模塊等，還可以提供MCU、安全保護芯片、電流傳感器等方案。因此，在整個戶用儲能中，英飛凌可以提供一站式的解決方案，幫大家做最快最易用的設計。
就寬禁帶半導體和硅基器件而言，英飛凌是目前全球僅有少數幾家能同時做到以上三種半導體的公司，從硅的MOS和IGBT到碳化硅650V到1200V的MOS、包括GaN的產品。英飛凌是這個行業里面做得最完整的公司，徐斌補充說。
另一方面，以上這三種產品，它們的設計和生產、封裝全部是由英飛凌自己內部控制，這樣的話就可以把產品品質做到極致。
下面來看下英飛凌在中壓MOS的產品路線圖。在中低壓MOS方面，英飛凌有2個產品系列：StrongIRFET和OptiMOS。StrongIRFET產品來源于2016年英飛凌收購的IR公司。英飛凌在收購這家公司以后，對該產品也做了一些升級，比如StrongIRFET 2。OptiMOS則是英飛凌傳統的中低壓MOS的產品，目前也已發布第六代產品。
從產品性能來看，OptiMOS 6目前在全球處于遙遙領先的位置。“從兩個維度來看，一是從100V產品的RDS(on)來看，目前英飛凌可以做到2.2mΩ，而最好的對手產品是3.2mΩ。我們差不多比對手小30%左右。第二，如果從ΔQg來看，我們的指標要比對手小差不多27%，比我們上一代產品小50%左右。”徐斌介紹說。
目前英飛凌在650V/750V有很多產品，包括硅基器件、碳化硅和GaN，那么怎么看這幾個產品的定位呢？特別是對于工程師來講，現在有GaN和碳化硅，那么在做系統設計的時候要怎么選型呢？在低壓、功率比較小、開關頻率比較快的領域，英飛凌推薦使用GaN的器件。另一方面，在開關頻率沒有那么高，但功率等級比較高的領域，則推薦使用碳化硅的器件。
例如，在傳統的NPC1的拓撲中使用650V的SiC MOSFET，跟傳統的IGBT相比，在70kHz的情況下，效率提升了1.3%。
英飛凌也發布了第二代碳化硅MOS產品，以650V、57mΩ的產品做性能對比的話，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，第二代產品同時保留了易用性，V(GS)th還保持了很高的水準，差不多在4.5V。這樣帶來的好處就是，客戶在0V時就可以對這個器件進行關斷的操作。
參考設計和評估板
最后來看下解決方案。
英飛凌做了一個差異化的產品，5電平4kW的方案。通過這個解決方案，不需要用到600V的器件，僅僅用150V器件就可以了。它的效率也可以非常高，可以在80%負載時做到98.5%的效率，這個效率也遠遠優于傳統的Heric的拓撲。
另外，英飛凌還提供雙向的DC/DC Demo板、包括碳化硅圖騰柱的Demo板等等。
除了碳化硅器件，氮化鎵也是一個熱點話題，英飛凌也做了一些GaN的Demo，以及Totem Pole的Demo等等，用戶感興趣的話也可以申請、測試。
總結
目前戶用儲能系統看起來很簡單，其實它內部結構很復雜，里面涉及的器件很多。英飛凌可以提供完整的解決方案，提高功率密度并提升效率。英飛凌同時還有很多MCU、傳感和通信器件，這些產品也可以帶給用戶更快更好的設計體驗。
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