儲能市場潛力巨大

儲能技術日新月異

全球各國當下都面臨著新冠疫情和供應鏈短缺的雙重壓力[1]，儲能技術正成為許多國家在推動碳中和和目標進程最關鍵的選擇之一。全球新型儲能市場也逆勢而行，2021年依然保持著高速增長態勢：新增裝機規模和增長百分比分別為18.3GW以及185%。其中引領全球增長的依然是美、中、歐三巨頭，三者合計占據了全球市場的80%。截至2022年，全球儲能市場占比情況如圖1。

    圖1：全球儲能市場占比情況

                （數據來源：中國能源研究會儲能專委會、中關村儲能行業技術聯盟）

（一）應用場景

儲能市場的核心應用場景可以分為3類，即發電側、用戶側以及電網側，除三大核心應用場景外，還有一類為輔助服務側。

圖2：儲能三大核心應用場景

（圖片來源：Choice數據）

^{新能源發電側是其主要應用方向。目前儲能主要應用于新能源并網為大電站配儲，以滿足電網在輸配容量、電頻波動控制等方面的需求，同時有效降低因電網滯后性導致的棄風棄光等問題[2]。}

其次，用戶側應用裝機是其應用的次要方向，儲能在用戶側主要是指與工商業、用戶等分布式電源配套或作為獨立儲能電站應用。由于海外為市場化電價，在用戶側裝機進行自發自用具備較高的經濟性價值，當地的電價越高，其經濟性就越顯著。

再次，電網側分應用裝機的第三方向，主要指電力市場的調峰調頻服務。由于新能源發電存在不穩定性、間歇性等問題，需要將儲能系統接入電網，在調峰調頻的指令下進行充放電調度。輔助服務側的分應用裝機占較小部分，主要為5G基站配儲。

輔助服務指除前述場景外，由發電企業、電網經營企業和電力用戶提供的服務，其中5G基站的產業化建設發展迅速，且5G基站功耗巨大配儲具備必要性，未來基站配備用電源端的配儲需求也將不斷增大。

（二）儲能技術

從全球儲能項目構成看，比較成熟的儲能技術分別為抽水蓄能和電化學儲能，此外飛輪儲能、氫氣儲能等在未來電力儲能發展也有較好前景，電化學儲能裝機量的增長最為迅猛，成為推動儲能市場發展的主要力量。

   表1：儲能技術概況（部分）

儲能系統產業鏈日趨完善

競爭格局逐漸明朗

（一）儲能系統產業鏈基本結構

儲能系統是以電池為核心的綜合能源控制系統。主要包括

• 電芯、能量管理系統（Energy Management System，EMS）
• 電池管理系統（Battery Management System，BMS）
• 儲能變流器（Power Conversion System，PCS）

^{等多個部分，其中電芯是儲能系統的核心[3]。BMS、EMS以及PCS分工配合，分別執行電池的檢測評估、數據采集以及控制調度等指令，與電芯共同構成能源控制系統。其中，Choice數據產業鏈研究平臺將儲能技術產業鏈分成上中下游三個環節。電化學儲能產業鏈上游為電池、電池管理、能量管理系統以及儲能變流器等設備供應商；中游為儲能系統集成商、施工企業等；下游為終端應用客戶，包括風／光／傳統電站、電網公司、工業儲能、家用儲能等。儲能產業鏈結構如圖3。}

圖3：儲能產業鏈結構

（數據來源：Choice數據）

（二）儲能產業鏈基本競爭格局

寧德時代等龍頭企業在儲能電池結構創新和材料體系上完善技術布局，建立全球競爭價格優勢，加劇行業技術壁壘，有望率先受益于儲能市場需求的爆發。因儲能電池與動力電池同源，但對能量密度和循環次數的要求不同，所有生產動力電池的企業均可做儲能電池。

從國內來看，儲能產業鏈布局較為完善，產業鏈每個環節都有大量企業入局，包括不少國資背景企業。其中發展最為迅猛的是BMS、PCS兩大環節，最為矚目的寧德時代和比亞迪在這兩大板塊占據主要地位。國內儲能企業情況概況如表2。

                                                  表2：國內儲能產業鏈企業布局概況

儲能專用電流傳感器ES-600

開步睿思助力儲能行業

（一）儲能系統中的BMS和PCS與電流傳感器

1、BMS與PCS

電池作為能源儲備裝置，其核心是充、放電性能中剩余容量估算及對電池的保護，而BMS需要具備精確測量該性能的能力。電池管理系統可視為電池安全衛士，主要功能就是智能化管理及維護各個電池單元，實時監控電池的剩余容量狀態以避免出現電池出現過充電和過放電情況，盡可能地延長電池的使用壽命[4]。而電池管理系統平穩、安全可靠、高效運行過程中，電流傳感器發揮了關鍵作用。

^{儲能變流器（PCS）由 DC/AC 雙向變流器、控制單元等構成，是電池管理系統的關鍵組成之一。其主要用來控制蓄電池的充、放電過程、進行交直流的變換以及保證在離網狀態下直接為交流負荷供電。PCS可根據后臺通過CAN通訊端口發出控制指令，對電池進行充電或放電，實現對電網有功功率及無功功率的調節，最終確保電池運行安全[5]。而PCS控制器是否能捕捉到準確且迅速的電流以及功率指令信號，主要取決于電流傳感器，因此BMS以及PCS中的電流傳感器意義重大。}

2、電流傳感器

電流傳感器是一種檢測裝置，并能將檢測到的信息，按一定規律變換成為符合一定標準需要的電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求，在電量測量和監測方面發揮了重要作用，是實現儲能系統智能化、自動化的關鍵設備。電流傳感器基于以下幾種物理學原理進行電流測量。包括基于歐姆定律的分流器（shunt）、基于安培環路定律的電流傳感器以及工業領域應用的霍爾（hall）電流傳感器、磁通門（fluxgate）電流傳感器等5種測量技術，還有一些利用磁場和其他物理學原理或效應的結合其他間接測量技術的電流傳感器等等[6]。

目前我國市場上電流傳感器相關產品較多，但普遍存在各種問題，其中最為典型的就是測量范圍和測量精度的問題。首先，傳統的電流傳感器由于其測量范圍有限，導致其在實現儲能系統的應用場景也存在一定的局限性，只能在有限的測量范圍內發出正確、有效的操作指令。而且，傳統的電流傳感器在保護出口短路的過程中，可能會出現在一側電流下達到飽和的情況，而難以在很大的動態范圍內實現電路的保護。

具體而言，傳統的電流傳感器的動態波動測量能力較弱，當蓄電池工作時電流波動大時，會同時出現毫安級別的充電電流和幾百安培級別的放電電流，因此，需要解決好電流大幅度變化問題、電流極小的零點失調問題以及小電流測量精度問題，同時也要考慮電路的使用和維護等問題。

（二）開步儲能專用ES-600電流傳感器

隨著新能源電動汽車與工業儲能的發展，基于分流器的電流傳感器已經得到了越來越多整車廠、電池廠以及儲能集成商的認可，其中，深圳市開步電子有限公司（以下簡稱為“開步電子”）研發設計的高精度電流傳感器系列產品更是得到了上述行業的普遍好評。高精度電流傳感器對儲能電站及直流充電樁的精確估算電能也起到了關鍵性的作用。

ES-600電流傳感器是開步電子為儲能系統專門研發的一款儲能專用的高精度電流檢測模塊，模塊包含高精度的ADC以及低溫漂的分流器。ES-600中的高精度分流器的工作原理遵循歐姆定律，具有成本低、應用方便且精度高的優點；在此基礎上，開步電子對其測量精度作出了改良設計，使其精度能夠滿足較高精度要求的電流測量應用。電流傳感器串聯在高壓回路中，配置了電氣絕緣措施，監測高壓母線回路中的電流，克服了電流測量時電流誤差過大、零點漂移大以及小電流的精度問題。高精度的ADC芯片用來采集模擬電壓然后進行模數轉化，與分流器組合進而實現電流及功率的靈活控制與精確測量，使ES-600具備電流檢測精度高、超大量程電流檢測能力等優點。

ES-600具體優勢及實現技術原理如下：

(1)測量范圍：ES-600電流傳感器的測量電流范圍為毫安級別到萬安級別，最高可達22400A；電流傳感器模塊的供電電壓范圍是+5.5V到+36V。電流傳感器可以很大程度上擴大其在工業實踐中的應用范圍，同時提高儲能系統保護的可靠性、測量的精確性以及對高壓系統保護的安全性。

(2)ES-600可自動補償由于溫度改變而導致的電阻值測量誤差，電流測量精度至少可達到±0.1%。該模塊通過快速地多次采樣分流器端上的電壓及溫度，獲得短時的多組數據，在將該多組數據帶入超高精度電流數學模型中便可精確計算出當前電流值。該數學模型已消除了由于環境溫度的變化、分流器自身發熱帶來的阻值漂移問題。

(3)電流傳感器模塊通過分流器模塊，應用于高壓母線中電流檢測，可監測母線中雙向電流。其ADC芯片可測量流經分流器上的雙向電流而產生的正負電壓值，最終實現雙向直流電流的測量，且高低壓完全隔離。因此可以運用在電池系統的總正端或總負端。

(4)模塊采用了隔離的CAN2.0B接口實現對外通訊。ES-600電流傳感器改進了傳統產品對外接口設置，在原來的模擬電壓或電流信號輸出接口的基礎上對接口模塊進行了優化設計，不僅有利于擴大儲能系統的應用和推廣，而且很大程度上節省硬件成本。此外，CAN2.0B的設計使ES-600同時具備尺寸小，質量輕且抗干擾能力強等優點，使得電力系統運行得更加安全，結構更加合理。

ES-600電流傳感器的電流監測動態范圍很大。不管是在高壓回路的正常運行狀態下，還是回路中出現電流過大的故障時，都能準確反映電流的實際值，使其在測量和運行中實現儲能系統的電路保護。另一方面，ES-600電流傳感器精確測量可以有效的估算電池剩余容量，從而精確的估算出電池充電容量和放電容量，為儲能系統電量精確估算提供了強有力的支撐，為儲能系統在削峰填谷的經濟模式提供技術保障。

參考文獻

[1] 參見余娜：《增長速度超預期儲能產業實現跨越式發展》，載《中國工業報》2022年5月。

[2] 參見中國華能集團公司：《電力技術監督專責人員上崗資格考試題庫-風電電能質量監督》：北京：載《中國電力出版社》2014年6月。

[3] 參見全球能源互聯網發展合作組織：《大規模儲能技術發展路線圖》,載《中國電力出版社》2020年7月。

[4] 參見周麗琛：《用于電動汽車電池管理系統的遠程監控系統研究，哈爾濱工業大學。

[5] 參見其魯：《電動汽車用鋰離子二次電池第4版》，科學出版社2021年版。

[6] 參見和劭延，吳春會，田建君：《電流傳感器技術綜述》，載《電氣傳動》2018年1月。

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