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单体太阳电池

单体太阳能电池是光电转换的最小单元,尺寸一般为4cm2到100cm2不等。太阳能电池单体的工作电压约为0.5V, 工作电流约为20-25mA/cm2, 一般不能单独作为电源使用。


1、单晶硅太阳能电池

单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15%左右,最高的达到24%,这是所有种类的太阳能电池中光电转换效率最高的,但制作成本很大,以致于它还不能被大量广泛和普遍地使用。由于单晶硅一般采用钢化玻璃以及防水树脂进行封装,因此其坚固耐用,使用寿命一般可达15年,最高可达25年。

2、多晶硅太阳能电池

多晶硅太阳电池的制作工艺与单晶硅太阳电池差不多,但是多晶硅太阳能电池的光电转换效率则要降低不少,其光电转换效率约12%左右 (2004年7月1日日本夏普上市效率为14.8%的世界最高效率多晶硅太阳能电池)。从制作成本上来讲,比单晶硅太阳能电池要便宜一些,材料制造简便,节约电耗,总的生产成本较低,因此得到大量发展。此外,多晶硅太阳能电池的使用寿命也要比单晶硅太阳能电池短。从性能价格比来讲,单晶硅太阳能电池还略好。

3、非晶硅太阳能电池

非晶硅太阳电池是1976年出现的新型薄膜式太阳电池,它与单晶硅和多晶硅太阳电池的制作方法完全不同,工艺过程大大简化,硅材料消耗很少,电耗更低,它的主要优点是在弱光条件也能发电。但非晶硅太阳电池存在的主要问题是光电转换效率偏低,国际先进水平为10%左右,且不够稳定,随着时间的延长,其转换效率衰减。

4、多元化合物太阳电池

多元化合物太阳电池指不是用单一元素半导体材料制成的太阳电池。各国研究的品种繁多,大多数尚未工业化生产,主要有以下几种:
a) 硫化镉太阳能电池
b) 砷化镓太阳能电池
c) 铜铟硒太阳能电池(新型多元带隙梯度Cu(In, Ga)Se2薄膜太阳能电池


碲化镉(CdTe)薄膜太阳能电池特点

发电能力强

CdTe薄膜组件,具有较高的转化效率和出色的发电能力。在度电补贴的时代,龙焱的产品将会带给您更大的收益和回报率。

在欧洲地区,CdTe电池每年比晶硅电池多发5.4%以上电能。

转换效率高

碲化镉是一种具有高吸收系数的化合物半导体,是硅的100倍,用这种半导体做成目前实验室最高效率为22.1%。龙焱的组件经过中国计量科学研究院的测试和认证,效率超过了13%,进入了世界先进水平的行列,这意味着更低的投资成本和更高的发电效益。

温度系数低

太阳能电池的温度系数在-0.21%/℃左右,而晶硅电池的温度系数在-0.45%/℃左右。在光照较好的地区,组件温度会达到50℃,夏天甚至会达到70℃以上。
弱光效应好

由于碲化镉是直接间隙材料,对全光谱吸收都较好,所以在清晨、傍晚等弱光条件发光效果明显优于间接带隙材料的晶硅电池。
稳定性高

CdTe太阳能电池没有本征光致衰减效应。25年80%输出功率保证。
热斑效应小

CdTe太阳能电池的长条形子电池,有利于减少热斑效应,对提高发电能力、保证产品寿命和使用安全都有着很大优势。
破损率极小
由于CdTe组件制造过程中注意温度的精确控制,使CdTe组件的破损率极小。
色彩均匀、美观大方

组件色彩均匀、美观,整体感强,特别适合于对美观度要求较高的建筑上使用。

太阳能光伏组件

单体太阳电池不能直接做电源使用。作电源必须将若干单体电池串、并联连接和严密封装成组件。太阳能电池组件(也叫太阳能电池板)是太阳能发电系统中的核心部分,也是太阳能发电系统中最重要的部分。其作用是将太阳能转化为电能,或送往蓄电池中存储起来,或推动负载工作。


太阳能控制器

太阳能控制器全称为太阳能充放电控制器,是用于太阳能发电系统中,控制多路太阳能电池方阵对蓄电池充电以及蓄电池给太阳能逆变器负载供电的自动控制设备。它对蓄电池的充、放电条件加 以规定和控制,并按照负载的电源需求控制太阳电池组件和蓄电池对负载的电能输出,是整个光伏供电系统的核心控制部分。
太阳能控制器采用高速CPU微处理器和高精度A/D模数转换器,是一个微机数据采集和监测控制系统。既可快速实时采集光伏系统当前的工作状态,随时获得PV站的工作信息,又可详细积累PV站的历史数据,为评估PV系统设计的合理性及检验系统部件质量的可靠性提供了准确而充分的依据。此外,太阳能控制器还具有串行通信数据传输功能,可将多个光伏系统子站进行集中管理和远距离控制。
太阳能控制器通常有6个标称电压等级:12V、24V、48V、110V、220V、600V 。
目前控制器向多功能发展,有将传统的控制部分、逆变器以及监测系统集成的趋势。
市场上流行的太阳能控制器,主要有普通太阳能控制器、PWM太阳能控制器和MPPT太阳能控制器。
普通太阳能控制器是第一代技术,工作原理是直接把太阳能电池板的输出挂到电池端口,当蓄电池充足后就断开,因为蓄电池内阻的原因,很难把蓄电池充满,而且太阳能电池板没有完全利用起来,充电转换效率为只有70~76%,已经被市场淘汰,基本上很少有人用。
PWM太阳能控制器是第二代技术,现在市场上最多,工作方式是采用PWM控制方式,相对于普通太阳能控制器,已经进步了很多,可以解决电池不满的问题,充电转换效率为75~80%,但太阳能电池板没有完全利用起来。
MPPT太阳能控制器是第三代技术,最高端的太阳能控制器。MPPT太阳能控制器,是指具备“最大功率点跟踪”(MaximumPowerPointTracking)功能的太阳能控制器,是PWM太阳能控制器的升级换代产品,MPPT太阳能控制器能够实时检测太阳能板电压和电流,并不断追踪最大功率(P=U*I),使系统始终以最大功率对蓄电池进行充电,MPPT跟踪效率为99%,整个系统发电效率高达到97%,并且对电池拥有优秀的管理,分为MPPT充电、恒压均充电和恒压浮充电。随着技术的进步和能源的节约,MPPT太阳能控制器取代传统PWM太阳能控制器的趋势是不可逆转的。


光伏逆变器

光伏逆变器(PV inverter或solar inverter)可以将光伏(PV)太阳能板产生的可变直流电压转换为市电频率交流电(AC)的逆变器,可以反馈回商用输电系统,或是供离网的电网使用。光伏逆变器是光伏阵列系统中重要的系统平衡(BOS)之一,可以配合一般交流供电的设备使用。太阳能逆变器有配合光伏阵列的特殊功能,例如最大功率点追踪及孤岛效应保护的机能。



太阳能逆变器可以分为以下三类:

独立逆变器(Stand-alone inverters):用在独立系统,光伏阵列为电池充电,逆变器以电池的直流电压为能量来源。许多独立逆变器也整合了电池充电器,可以用交流电源为电池充电。一般这种逆变器不会接触到电网,因此也不需要孤岛效应保护机能。
并网逆变器(Grid-tie inverters):逆变器的输出电压可以回送到商用交流电源,因此输出弦波需要和电源的相位、频率及电压相同。并网逆变器会有安全设计,若未连接到电源,会自动关闭输出。若电网电源跳电,并网逆变器没有备存供电的机能。
备用电池逆变器(Battery backup inverters)是一种特殊的逆变器,由电池作为其电源,配合其中的电池充电器为电池充电,若有过多的电力,会回灌到交流电源端。这种逆变器在电网电源跳电时,可以提供交流电源给指定的负载,因此需要有孤岛效应保护机能。


逆控一体机

家庭式光伏储能逆变一体机是将光伏逆变器、蓄电池和控制器置于内部的集成一体系统,通过触摸屏方便快捷直观的显示工作状态,参数修改并可以多种工作模式,方便使用。


工作原理

1) 产品系统框图

图 1 产品系统框图

2) 工作模式说明

A. 太阳能优先模式 (绿色示意路线)

图 2太阳能优先模式

太阳能优先模式下,负载的供电全部由太阳能提供,如上图中绿色通路所示:当太阳能发出的电量可以满足用户负载时,则太阳能给负载供电,多余的太阳能给电池组充电;当太阳能发出的电量不能够满足用户负载时,由电池组补充给负载供电;当电池剩余容量(SOC)小于等于 10%时,系统会自动切换到市电给负载供电,并且会启动市电给电池充电,同时太阳能给电池充电,直到电池充满,充满后系统自动切换到太阳能和电池给负载供电。当电池电量严重不足且 AC(市电)断电时,系统会自动切断负载供电,并且由太阳能给电池充电,SOC 充至 40%,重新开启负载供电;若在这过程中连接上市电,系统自动切换到市电给负载供电,并且会启动市电给电池充电,同时太阳能给电池充电,直到电池充满,充满后系统自动切换到太阳能和电池给负载供电。


B. AC 优先模式.

图 3 AC 优先模式

AC(市电)优先模式下,负载的供电由市电旁路输入提供:当电池电量充足时,AC(市电)只供电给用户负载;当电池电量严重不足时, AC(市电)除供给用户负载外,还启动对电池进行充电,同时太阳能给电池充电,直到电池充满;当 AC(市电)断电时,系统会自动切换到太阳能给负载供电,当太阳能发出的电量可以满足用户负载时,则太阳能给负载供电,多余的太阳能给电池组充电;当太阳能发出的电量不能够满足用户负载时,由电池组补充给负载供电。当 AC(市电)断电且电池电量严重不足时,,系统会自动切断负载供电,并且由太阳能给电池充电,SOC 充至 40%,重新开启负载供电;若在这过程中连接上市电,系统自动切换到市电给负载供电,并且会启动市电给电池充电,同时太阳能给电池充电,直到电池充满。


C. SE 优先模式(错峰用电模式)

图 4 SE 优先模式

SE 模式下,用户可以设置 SE 时间;在 SE 时间内,负载的供电由市电旁路输入提供,同时市电给电池充电,同时太阳能给电池充电,直到电池充满。在 SE 时间外,由太阳能给负载供电,当太阳能发出的电量不能够满足用户负载时,由电池组补充给负载供电;当电池剩余容量(SOC)小于等于 10%时,系统会自动切换到市电给负载供电,并且会启动市电给电池充电,同时太阳能给电池充电,直到电池充满,充满后系统自动切换到太阳能和电池给负载供电。当电池电量严重不足且 AC(市电)断电时,系统会自动切断负载供电,并且由太阳能给电池充电,SOC 充至 40%,重新开启负载供电;若在这过程中连接上市电,系统自动切换到市电给负载供电,并且会启动市电给电池充电,同时太阳能给电池充电,直到电池充满,充满后系统自动切换到太阳能和电池给负载供电。例如,用户设定 SE 模式,假设设定时间为 1:00AM-6:00AM,在 1:00AM 前,系统由太阳能和电池给负载供电;在1:00AM-6:00AM 时间内,系统自动切换到由市电旁路给负载供电,同时市电和太阳能给电池充电,直到电池充满;直到 6:01 AM 时,系统又切换回由太阳能和电池给负载供电的方式。对于分时计量电价的国家和地区,用户可根据需要设定错时用电功能,在电网负荷低、电价较便宜时段使用电网的电,并给电池组充电备用,在电网负荷高峰时,利用电池组里储存的电量,实现错峰用电和节省电费的目的。


电池的几个基本概念

  • 材料:三元/磷酸铁锂/铅酸(不谈)

  • 成组方式:3P105S,这里指的是有几个并联,几个串联,P是英语Parallel ,S是串联的Series,并联提升容量,串联提升电压。

  • 容量:AH为容量,即用多少电流放电多长时间,比如150AH,利用150A的电流,可以放电一个小时。

  • 电芯的电压:当个电芯的电压是一个浮动范围,SOC不一样电芯的电压不同,三元的电压大概是从2.75V-4.2V,但是为了安全,大家都不会用这么多。

  • SOX:全称是State Of X,电池的状态描述,H是英文Health,C是容量,P是功率,E是能量,有点像发动机的参数,排量,功率,能量,运行时间等。大致意思是一致的。


电芯:

电芯是动力电池的最小单位,也是电能存储单元,它必须要有较高的能量密度,以尽可能多的存储电能,使电动汽车拥有更远的续航里程。除此之外,电芯的寿命寿命也是最为关键的因素,任何一颗电芯的损坏,都会导致整个电池包的损坏。


模组:

当多个电芯被同一个外壳框架封装在一起,通过统一的边界与外部进行联系时,这就组成了一个模组。比如市场上的350模组、390模组、590模组等。


电池包:

而当数个模组被BMS和热管理系统共同控制或管理起来后,这个统一的整体就叫做电池包。

那么回到之前我们常说的“电池”。在生活中,当我们在说电池时,有时候说的是电池包,而有时候说的是电芯。比如我们说玩具车的电池、5号电池,这个时候说的就是电芯,而在说笔记本电脑电池与新能源汽车的电池时,说的其实是电池包。


动力电池和储能电池的区别

在电池使用场景的分类中,电池被人们分为消费电池(3C电池,应用于手机、笔记本电脑、数码相机等)、动力电池(新能源汽车、轻型电动车、电动工具等)、储能电池(电站、通信基站等)。
对动力电池而言,它其实也是储能电池的一种。不过,由于受到汽车的体积与重量限制以及启动时的加速等要求,动力电池比普通储能电池有更高的性能要求,例如能量密度要尽量高、电池的充电速度要快、放电电流要大等。
根据标准,动力电池的容量低于80%就不能再用在新能源汽车了。
对储能电池而言,绝大多数储能装置无需移动,因此储能锂电池对于能量密度并没有直接的要求。至于功率密度,不同的储能场景有不同的要求。
用于电力调峰、离网型光伏储能或用户侧的峰谷价差储能场景,一般需要储能电池连续充电或连续放电两个小时以上,因此适合采用充放电倍率≤0.5C的容量型电池;对于电力调频或平滑可再生能源波动的储能场景,需要储能电池在秒级至分钟级的时间段快速充放电,所以适合≥2C功率型电池的应用;而在一些同时需要承担调频和调峰的应用场景,能量型电池会更适合些,当然,这种场景下也可以将功率型与容量型电池配合一起使用。
相对于动力锂电池而言,储能锂电池对于使用寿命有更高的要求。新能源汽车的寿命一般在5-8年,而储能项目的寿命一般都希望大于10年。动力锂电池的循环次数寿命在1000-2000次,而储能锂电池的循环次数寿命一般要求能够大于3500次。
在成本方面,动力锂电池面临和传统燃油动力源的竞争,储能锂电池则需要面对传统调峰调频技术的成本竞争。另外,储能电站的规模基本上都是兆瓦级别以上甚至百兆瓦的级别,因此储能锂电池的成本要求比动力锂电池的成本更低,安全性也要求更高。
动力锂电池与储能锂电池有一些区别,但从电芯上看,都是一样的,都可以采用磷酸铁锂电池和三元锂电池,主要差别在于BMS电池管理系统,电池的功率响应速度和功率特性、SOC估算精度,充放电特性等,都可以在BMS上去实现。


如何辨别动力型电池和容量型电池?

那么动力电池和容量型电池该如何区分呢?今天小编就给大伙提供4个方法,快速分辨电池类型,帮助大伙更好地使用电池。

1、看电池规格与参数

由于锂电池制作成本与技术的限制,目前市面大部分的动力型锂电池实际容量在3000mAh以下,超出3000mAh的多半不是动力型锂电池;同时,动力型锂电池充放电大,表面是不设保护板的;有设置的多为容量型电池。


XTAR 18650 3000mAh容量型电池


PS:随着锂电池技术的不断进步,目前部分厂商虽然能够生产出容量大于3000mAh的锂动力电池,但市面上较为常见的动力电池一般低于3000mAh,所以这样判断基本不会出错。

2、看放电倍率

放电倍率是放电快慢的一种量度,是指电池在规定的时间内放出其额定容量时所需要的电流值,它在数值上等于电池额定容量的倍数,即“放电电流/电池额定容量=放电倍率”。一般动力电池能达到接近10C或10C以上的高倍率放电,容量型电池放电倍率相对较小,一般在1-3C左右。
XTAR新品20700 3000mAh动力电池

以XTAR 新品20700 3000 mAh电子烟电池为例。电池容量3000 mAh,持续放电电流30A,脉冲放电为35A,放电倍率为10C,属于动力电池。

3、看电池内阻

计算电池内阻是区分电池类型的重要方法。一般来说,一般来说,动力型电池内阻小于30mΩ ,常见10-20 mΩ,容量型电池内阻通常大于30 mΩ,常见达到60mΩ到100mΩ左右
专业测电池内阻需要用四线仪,对于普通客户不现实。小编给大家分享一种简单的测试方法即使用XTAR VC4S进行电阻测试,具体操作详见视频。
特别强调:内阻会随着电池使用时间而逐渐变大,当动力电池内阻达到一定值时,将不再适合高倍率充放电,强行使用可能会造成起火、爆炸等安全事故。各位小伙伴切记要及时为您的电动汽车、电动自行车更换电池哦。

4、看行业运用

一些大型设备上需要的电压值较高,因为小功率的电池带不起运转,所以就要选用动力型锂电池,例如我们平时所用的各类电动车、摄像稳定器、无人机等。一些标志灯、移动电源、手电筒等因为功耗并不是很大、但对电池续航、储量要求较高,所以一般都采用容量型锂电池。
总之,容量型电池就像是马拉松选手,要有耐力,就是容量要大,对大电流放电性能要求一般不高;而动力型电池就是短跑选手,拼的是暴发力,但耐力也要有,不然容量太小就跑不远。


何为BMS?

BMS电池管理系统(BATTERY MANAGEMENT SYSTEM)俗称电池保姆或电池管家,主要就是为了智能化管理及维护各个电池单元,防止电池出现过充电和过放电,延长电池的使用寿命,监控电池的状态。因为电芯是一个电化学的过程,多个电芯组成一个电池,由于每个电芯特性,无论制造多精密,随这使用时间,环境,各个电芯都会存在误差与不一致的地方,故电池管理系统,就是通过有限的参数,去评估当前电池的状态,有点像中医看病,通过表征,看你得了啥病。


动力电池模组成型方法汇总

动力电池模组,将若干单体电芯通过导电连接件串并联成一个电源,通过工艺、结构固定在设计位置,协同发挥电能充放存储的功能。可以说模组的基本作用就是连接、固定和安全防护。
常见的模组类型,根据电芯与导电母排的连接方式可以分成焊接、螺接、机械压接三种形式。有研究表明,电芯单体与模组母排之间的连接方式,不仅仅影响制造效率,是否可以实现自动化,其对电池装车以后的性能表现同样会有不容忽视的影响。今天不挖为什么,只汇总一下主要的模组连接方式。


焊接

应用于电池模组的焊接工艺,主要有激光焊接、超声波焊接和电阻焊。其中,激光焊配合工业机器人正在逐步成为自动化模组生产线的主力。
焊接工艺,效率高,易于实现自动化生产。在不断改进焊接工艺,限制成型过程中的热影响以后,在实际生产中的应用也越来越多。


圆柱电池模组激光焊接

焊接之后,是这个样子的:


软包电池模组焊接

电芯和母排的搭接形式是下面这个样子:
焊接方形电池组

展览会上,一家厂商的展品。

一些局部激光焊接电池单体和连接的焊点形状:


螺接

螺接,用防松螺钉固定电芯与母排之间的连接。这种形式,工艺上比较简单,但主要应用于单体容量比较大的电池系统中。尤其方形电池螺接结构比较多。


圆柱电池组的螺栓连接

在前些天看一个储能展览的时候,发现银隆的圆柱电芯有螺接形式的,而中车的超级电容,其中圆柱形的也是螺接。下图是在网上找到的图片示意。大型圆柱电芯,螺接是一种常见形式。


方形电池组的螺栓连接

宝马i3模组




三菱的2011款i-MiEV电池模块

螺接电芯串联的样子


软包电池组螺栓连接

Nissan Leaf软包电芯小模组与母排之间是螺栓连接。



机械压接

圆柱电池机械连接方案

该方案由于依靠导电件的弹性变形保持电池与回路的电连接,占用空间略大,导致能量密度受到影响,但好处也是显而易见,电池在梯次利用中,拆解方便,获得完整电芯的可能性高。


方案中导电件示意图


组装后的模组实物是这样的:



软包电芯机械压接方案

依靠狭缝式的弹性导电结构,把软包电池极耳直接夹持在模组导电件上获得稳定电气连接。省去焊接过程,同样拆卸方便。小模组图片中用红色圈出来的位置,即为电气连接位置。




三种连接方式的比较

焊接的连接电阻小于螺接,前面有一篇文章涉及到了这个实验和相关数据。为了方便查看,重新复制粘贴在下面附录中。文献结论是,焊接的内阻小于螺接。连接电阻小,储存在电池里的电能能够以更高的效率支持汽车跑更远的距离,这个是焊接明确的优点。同时,焊接的生产效率提升空间大,可以说总体上,焊接优于螺接。但也可以看到,螺接一般在大型电池上应用,其更强的导电能力得以凸显,而效率低的劣势被削弱了。
没有找到机械压接的具体数据,机械压接的好处在于拆装灵活,后期维护以及二次回收利用成功率高。缺点是组装效率难于大幅度提升,若机械连接结构设计不够合理,则在长期的道路车辆运行环境下,接触电阻发生变化的可能性高。


刀片电池

1.首先是什么是刀片电池?

传统电池系统是先把电芯组装成模组,再把模组安装到电池系统里面,进行分级管理。由模组的机械结构对电芯起到支撑、固定和保护的作用,再由电池系统对模组支撑、固定和保护的作用。


而刀片电池是一种全新的设计理念,在采用长电芯的同时,省去了中间模组环节,直接把电芯装到电池系统里面。这样重量和成本都有效下降,这一点和宁德时代的CTP有相似的地方。同时比亚迪电池结构设计借鉴了蜂窝铝板的原理,通过结构胶把电芯固定在两层铝板之间,让电芯本身充当结构件,来增加整个系统的强度。


我们再来看一下刀片电芯,拿市面上应用最广的C公司产品和刀片电芯对比。C公司产品的长度是148 mm、厚度是79mm、高度是97mm,内部结构是卷绕,看起来像一块板砖。刀片电芯长度是960mm,厚度是 13.5 mm,高度为 90 mm,内部结构是叠片。因其长而薄的形状酷似刀片,因此得名刀片电池。

2.刀片电池诞生背景



我们来看下这几年纯电动车电池材料的发展趋势,纵坐标是能量密度。在纯电领域,一直存在两条技术路线,三元和磷酸铁锂电池。三元电池由于能量密度高,被大部分车企选择,但是他有个缺点是成本高。相反磷酸铁锂成本较低,但是能量密度低。而且现阶段的磷酸铁锂能量密度已经快接近理论极限。而比亚迪是做磷酸铁锂电池出身,虽然现阶段比亚迪大部分纯电动车上已经使用了三元电池,但从未放弃磷酸铁锂这条技术路线。既然在材料方面不能突破能量密度,比亚迪的工程师就从系统集成做工作。



我们总结下电池系统集成发展规律。首先我们看下第一代电池包,是异形电池包,为了节省成本,采用了标准模组,但是成组效率都比较低。第二代电池包,也是异型电池包,为了提高成组效率,选择了和电池结构匹配的非标准模组,使成组效率有明显的提升。以上两种电池包都是基于传统乘用车平台。第三代电池包,多应用于纯电动车平台。有三种不同的发展趋势,但有一个共同点,都是平板的电池包,但分别应用了无模组技术、刀片电池技术和590标准大模组技术,成组效率再次有明显提升,其中刀片电池的提升是最高的。可以说刀片电池在电池材料不能突破更高能量密度的前提下,但是在电池系统集成方面有所突破,解决了磷酸铁锂电池续航较短的缺点,这也就是刀片电池诞生的背景。






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作者: ganggouren

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