新冠肺炎疫情是否会加速电气化革命？

2020-11-25 10:17:28 ADI

如果电气化普及成为现实，世界会呈现图中的样貌。
在新冠肺炎疫情蔓延之前和之后（时隔2个月），所拍摄的意大利的卫星照片。活动量大大减少，使得污染排放量减少，天空更明净。

2017年-2019年的3月25日-4月25日

2020年3月25日-4月25日
来源：NASA科学可视化工作室

在全球继续应对造成巨大生命损失且导致世界经济严重停滞的新冠肺炎疫情之际，我们可以开始展望疫情过去后的世界会是什么样子。毫无疑问，我们彼此之间、与医疗健康行业以及服务工作人员之间互动的方式会发生变化，但新冠肺炎疫情会对环境产生间接和预期以外的影响，这一点我们很少加以讨论。
在疫情发生之后，全球开始了为期数月的居家隔离，以控制疫情加剧，此举也让人们看到了实现碳平衡的前景，或者说未来大幅减少碳排放的希望。随着疫情期间汽车、轮船和飞机使用频率降低，过去数十年来我们对环境造成的负面影响变得更加清晰可见。人们所拍摄的在居家隔离之前和之后真实环境状况的照片和视频引发了巨大轰动。因为对空气的污染减少，30多年以来¹，印度旁遮普邦的居民首次在相隔150英里的地方看到了喜马拉雅山，而在威尼斯河道内，因为该区域船舶停运，对水的污染减少，人们又看到了多年未见的海洋生物²。在北京、纽约和巴黎，二氧化碳、一氧化碳和一氧化二氮的排放量显著下降。
自然环境开始恢复，哪怕只是一瞬间。虽然以环境保护的名义无限期停滞交通运输和交通基础设施不是一个可行的解决方案，且此举肯定会削弱世界经济，但通过电气化来实现碳平衡却能两者兼得。

电动汽车是电气化的中心

“如果洛杉矶使用电动汽车和电动公共汽车，那么空气每天都会很干净。”

加州大学圣巴巴拉分校助理教授Leah Stokes博士。

对于全球致力于实现的更可持续的电气化未来，其核心就是电动汽车(EV)。根据世界经济论坛的数据，“到2030年，电动乘用车的保有量将达到2.15亿辆。这意味着从2018年到2030年，电动乘用车的销量将以每年23%的速度增长。”在未来十年，全球电动汽车的普及率预计按照这种速度快速增长，对配套技术的需求也将持续增加。全球几乎每个地区都推出了更新的电动汽车普及激励措施，且所有大型OEM都在着手实现车系的电气化。全球都在加大对电气化的投入。现在正是推动加快采用电气化技术的时机，但这需要过程，并非一夕就能完成。在整个电气化生态系统中，仍然存在许多阻碍电动汽车普及的壁垒。

“到2030年，全球对电池的需求量将达到2523千兆瓦时(GWh)，其中2333 GWh来自电动交通行业。”

世界经济论坛(WEF)

遗憾的是，如今的电网基础设施无法满足日益增加的电动汽车的用电需求。而且，电动汽车还没有在价格和性能上达到与内燃机汽车同等的水平，尚无法激发消费者的需求。此外，汽车制造商仍在寻找一种在车系中推广电气化技术的更有效、更经济的方式。另外，如今的电动汽车电池回收和再利用项目的成本和资源都不够经济有效，无法保证被广泛采用。如果不能对电动汽车电池进行再利用和回收，以进行梯次使用，那么许多电动汽车电池最终会被扔进垃圾填埋场。这有悖目前通过采用电气化来促进环保的初衷。

基础设施：电气化未来的基础
储能系统、电池化成和测试、电池化学成分

近年来，受电动汽车和其他电气化技术预期采用率的影响，储能已成为全球关注的焦点。随着全球越来越依赖电气化，现有电网承受的压力可能会非常大。储能系统(ESS)使得现代电网能够通过使用大型电池作为缓冲器来存储由可再生资源生成的非高峰期电能，并在用电高峰期随时向所有用户及所有应用（包括电动汽车充电）提供电能来保持电网稳定。储能系统可以利用多个放置在负载点附近的缓冲器，使得现有电网能够在不增加电线或发电厂的情况下提供更多电能，从而降低与基础设施升级相关的成本。

据彭博新能源财经(BNEF)称，到2030年，新增储能容量的65%会用于将各种可再生能源接入电网，并提供各种电网服务；30%用于为住宅、商业和工业设施供电；余下5%用于支持电动汽车基础设施。

电池化成和测试是电动汽车电池制造过程中至关重要的一部分，因为这是判断电池是否满足关键性能和安全标准的环节。如果达不到这些标准，电池可能无法使用，或者在使用期间和梯次使用时对电池效率造成不利影响。电池化成和测试过程包括在24到36小时内对电流和电压实施极为精准的管理。速度太快或精度不高可能会破坏电芯内部的活性化学成分，从而大大降低电池的整体容量和使用寿命。

新兴的电池化学成分让本已困难的电池化成和测试变得更加困难，给设备和电池制造商带来了更进一步的挑战。新化学成分要求在最严格的生产条件下实现更高程度的电气测量精度，同时还需要控制成本支出。此外，要实现快速扩展，就需要制造商减小现有的化成和测试设备的尺寸大小。

展望未来，我们发现磷酸铁锂(LiFePO)等电池化学成分的重要性与日俱增。虽然钴基化学物质的能量密度可能比磷酸铁锂高出10%到20%，但钴具有很强的生态毒性，且其开采方法饱受争议，使其被列为冲突性材料（与侵犯人权相关）。按照目前的使用速度，全球的钴储量可能会在2030年耗尽。此外，磷酸铁锂成本低，在处理穿刺或热失控问题时安全性更高，且已在生产中得到充分证明（已在该行业使用超过10年），完全能够成为领先OEM首选的技术。

运作：加快电动汽车的普及

现今的电动汽车续航里程一般在60英里至400英里之间，所需的充电时间为30分钟至12小时，具体由车辆型号和汽车充电器的类型决定，非常适合能在家实现充电的短途或通勤使用。但是，对整个汽车市场来说，续航里程和充电时间是极为重要的因素。此外，未来十年，电动汽车市场预计将增长10倍，而为了给数以百万计的电动车辆提供动力，采用高效的电池管理系统(BMS)来监控、管理和维护高性能电池的需求也将日益增长。

BMS电子器件要求在汽车的整个生命周期内，在所有运行条件下都保持最高精度，以最大化电动汽车每次充电的续航里程。

与油箱等单个储能元件不同，电动汽车的电池组由数百或数千个协同工作的电芯组成。当电力流入或流出电池组时，必须以极高的准确度精确管理所有电芯，以确保每次充电实现最大的续航里程。此外，虽然电子部件的成本只占电池成本的一小部分，但却是决定车辆续航里程、安全性和成本的主要因素。例如，为了确保在汽车的整个生命周期内实现最大的可用电池容量，必须确保在所有的操作条件和恶劣环境下（包括极端温度、电磁和电噪声）保持良好的精度（在汽车的15年生命周期内）。当前的最高精度可以达到2 mV，必须确保400 V至800 V电池组的每个电芯都达到此精度。为了确保安全性，电子产品必须从一开始就经过精心设计，以完全符合全球所有严格且不断演变的安全标准的要求。这些标准并不仅限于ASIL-D标准，还需要开发创新的电池功能性架构。

此外，目前还涌现了适用于BMS的颠覆性技术，而且是无线形式。ADI公司最近开发的无线电池管理系统(WBMS)以有线BMS的现有组件为基础构建，无需再使用线束将电芯连接在一起，可以节省工程设计和开发成本，并消除相关的机械性挑战和线束带来的复杂性。它还使得电池组设计具有高度模块化和可裁剪特性，因此可以反复用在多个汽车设计中。此外，由于每个电池模块都是无线的，因此可以在从电池化成开始，到存储和组装，再到在汽车中使用这整个过程中收集和存储数据，从而实现电池状态计算，给出电池组的剩余电量。此举降低了电池的成本，且使电池的梯次使用（或二次寿命）更加有效，例如在存储、回收或其他应用中，降低了制造商和车主的总成本，并限制了对环境的影响。

电池的二次寿命：自给自足的电气化生态系统

到2035年，整个储能市场的年收入预计将增长到5460亿美元。
来源：全球储能市场2019年报告

虽然电动汽车被吹捧为内燃机和化石燃料的绿色替代品，但它有一个明显的致命弱点——当半吨重的电池无法再储存驱动汽车所需的足够电能时，该如何对其进行处理？

如今，回收是非常普遍的选择，但这个过程只能回收部分原材料（例如钴和锂），而不是回收全部。回收成本高、不受监管，且缺乏明确的供应链。因此，能源研究所预计，到2025年，全球丢弃的电动汽车电池数量将超过340万块，比上一年多5.5万块。

电池梯次使用，这是一种替代回收的方法，或者更准确的说，这是一种过渡方法。在使用8到10年之后，当汽车的锂离子电池的充电容量下降到初始容量的70%到80%时，便无法再为汽车提供动力，需要更换。这些不再使用的电池数量不断增加，由此形成全新的市场机遇，有些人将其称为电池梯次使用市场或电池的二次寿命市场。

电池二次寿命应用可能将电池的使用时间延长5至10年，但最终具体能延长多久，取决于电池的首次使用状况。无线电池管理系统技术(WBMS)持续收集电池数据，并将其传输和存储在云端，使其成为详细记录历史数据的理想工具。由于其无线特性，WBMS可以在电池投入使用前将电池数据存储在电芯中。
在车辆运行过程中，会通过计算来了解电池的使用状况(SoH)，并可根据驾驶情况和环境条件不断更新，提供有效数据，帮助用户了解电池组的剩余寿命。此举为电池组设定了剩余价值，帮助降低了整体成本，同时也为电芯的下一阶段使用设定了方向。

无线BMS是一种颠覆性技术，简化了电池进入二次寿命的过程，并推动整个行业迈入可持续发展的未来。

在电池进入梯次使用之前，卖家可以使用这些数据生成详细的健康状态历史记录，让买家和卖家都能评估电池的价值，并据此达成公平的交易价格。

麦肯锡咨询公司表示：“为这些仍然有用的（电动汽车）电池寻找可用之地可以创造巨大的价值，最终甚至有助于降低储能成本，从而进一步将可再生能源并入电网。”³电动汽车电池即使不再能满足电动汽车性能标准，仍然可以进入梯次使用，应用于对电池性能要求放宽的储能系统。

电气化生态系统

随着全球快速转向采用环保可持续的应用，我们需要考虑整个电气化生态系统中存在的影响和障碍，这非常重要。单单只关注一个领域，无法实现更环保的未来。通过了解电气化生态系统、基础设施、运行和二次寿命各个方面，并开发解决方案以配合整个生态系统的发展，ADI公司占据着独特地位，将在全球范围内带来碳平衡的未来。

洁净且健康的未来前景

电力设施对我们所有人的生活都极为重要。医院、学校、房屋、路灯和通讯都有赖它为现代社会提供电力。现在，距离第一条电线横跨城市上空已过了一个多世纪；电力行业正在经历第二次革命，这次革命不仅将改变为电网供电的能源组合，还将改变配电系统本身——从集中到分散。只有保持平衡，才能保证地球以及我们自身的健康。

空气颗粒物污染使全球所有妇女、男子和儿童的平均预期寿命缩短了近2年。

空气质量生活指数®，芝加哥大学能源政策研究所

在导致全球变暖的污染中，约有近一半是由燃烧化石燃料发电或取暖造成的⁴。电池二次回收有助于减少资源消耗和降低生态毒性。储能系统能够通过储存本地产生的多余太阳能和风能，并将其卖给非常耗电的能源网络来实现电气化未来的承诺。与高油耗汽车相比，电动汽车的发展速度越来越快，最终可以将城市地区的空气污染降低50%至90%。

由此出现了一幅光明的、可再生的、电气化的未来图景，让所有人都有机会过上更健康的生活，在更洁净的环境中发挥自己的所有潜力。

探索当今最令人兴奋的技术进步所带来的前景，其中退出使用的电动汽车(EV)电池被重新启用、重新确定用途并投入使用，为先进的储能系统(ESS)提供电能。了解如何准确有效地对新电池化学物质实施管理，以保护环境并为电动汽车提供动力。了解先进的无线电池管理系统如何帮助开启和创建一个环保可持续且具有经济性的价值数十亿美元的产业。然后了解风能、太阳能和其他可再生能源产生的剩余电能是如何被储存起来，以备之后使用，从而帮助解决电网稳定的难题，节省数万亿美元，并帮助我们更好地保护我们的星球。

¹Rob Picheta。由于隔离缓解了大气污染，印度人“几十年”以来首次可以看到喜马拉雅山。CNN，2020年4月9日。
²Melissa Locker。由于意大利仍处于隔离状态，视频捕捉到威尼斯运河中游动的水母。《时代》，2020年4月22日。
³电动汽车电池梯次使用：储能市场最新的价值库，麦肯锡咨询公司，2020 年 4 月 30 日。
⁴David Biello. 如何解决全球变暖问题：关键在于能源供应。科学美国人，2014 年 4 月 14 日。

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