萬次循環(huán)已成儲(chǔ)能標(biāo)配，IGBT成壽命關(guān)鍵

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/黃山明）儲(chǔ)能產(chǎn)品發(fā)展到今天，其技術(shù)變化日新月異，而壽命循環(huán)次數(shù)已經(jīng)成為不少廠商競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。市場(chǎng)中超過萬次循環(huán)的產(chǎn)品已成為標(biāo)配，許多企業(yè)還承諾儲(chǔ)能產(chǎn)品壽命能夠達(dá)到20年甚至25年。

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，光伏電站的設(shè)計(jì)使用壽命為25年，這也意味著只要儲(chǔ)能產(chǎn)品壽命能夠達(dá)標(biāo)，就能讓光伏電站發(fā)揮出最大的經(jīng)濟(jì)效益。但市場(chǎng)中許多儲(chǔ)能產(chǎn)品，其使用壽命與宣傳嚴(yán)重不符，并且很難進(jìn)行驗(yàn)證。其主要原因，是IGBT的性能。

萬次循環(huán)已經(jīng)成為儲(chǔ)能電池的標(biāo)配

在當(dāng)前競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)環(huán)境下，讓不少儲(chǔ)能企業(yè)將目光聚焦在追求更高的循環(huán)次數(shù)上。信息顯示，從2019年至2024年期間，儲(chǔ)能電池的研發(fā)和商業(yè)化進(jìn)程中，實(shí)現(xiàn)萬次以上循環(huán)壽命已成為行業(yè)的重要目標(biāo)和技術(shù)突破點(diǎn)。

多家企業(yè)如寧德時(shí)代、國(guó)軒高科、欣旺達(dá)、天合儲(chǔ)能等已經(jīng)或正在研發(fā)并實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)能夠達(dá)到1萬次以上甚至更高循環(huán)次數(shù)的儲(chǔ)能電芯，這些產(chǎn)品在工商業(yè)儲(chǔ)能、新能源應(yīng)用以及家庭儲(chǔ)能系統(tǒng)中具有更長(zhǎng)的循環(huán)壽命、更低的運(yùn)營(yíng)成本和更高的經(jīng)濟(jì)效益等顯著優(yōu)勢(shì)。

同時(shí)，除了鋰電池技術(shù)外，鎳氫電池等其他類型的儲(chǔ)能技術(shù)也在不斷進(jìn)步，例如EnerVenue公司的鎳氫電池可提供超過3萬次的循環(huán)壽命，適應(yīng)于不同的儲(chǔ)能應(yīng)用場(chǎng)景需求。

如果按照每天1.5次充放電來計(jì)算，1萬次的循環(huán)約為18年的壽命，如果循環(huán)次數(shù)達(dá)到1.5萬次，那么壽命超過25年。

國(guó)內(nèi)目前儲(chǔ)能電池主要以磷酸鐵鋰為主，而磷酸鐵鋰電池壽命衰減的主要原因在于陽極副反應(yīng)導(dǎo)致的活性鋰消耗。所以補(bǔ)充活性鋰就能有效地解決這一問題，而目前主要方法為負(fù)極補(bǔ)鋰和正極補(bǔ)鋰兩大類。這也能有效的幫助儲(chǔ)能電池壽命達(dá)到20年以上，做到光儲(chǔ)同壽。

當(dāng)然儲(chǔ)能電池的長(zhǎng)壽命，也需要有足夠的售后來進(jìn)行保證。有業(yè)內(nèi)人士預(yù)計(jì)，五年后儲(chǔ)能產(chǎn)品成本還將再降低50%，因此企業(yè)可以在保證足夠利潤(rùn)的情況下，能夠?yàn)闃I(yè)主提供20年以上的售后。

此外，電池的溫度也成為也成為影響儲(chǔ)能壽命的關(guān)鍵，有機(jī)構(gòu)研究顯示，每當(dāng)電池內(nèi)部溫度提升15度時(shí)，系統(tǒng)的壽命會(huì)減少一半以上。這些壽命表現(xiàn)，通常是在常溫下測(cè)得，也就是25℃左右，而實(shí)際工作環(huán)境溫度顯然要高得多。

但問題在于，目前國(guó)內(nèi)的客戶與相關(guān)第三方機(jī)構(gòu)很難對(duì)這些指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)也缺乏相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，購買相關(guān)產(chǎn)品只能依賴于口碑，這就對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的壽命有了巨大的挑戰(zhàn)。

IGBT成為儲(chǔ)能系統(tǒng)壽命持久的關(guān)鍵

即便如今的儲(chǔ)能電池循環(huán)壽命已經(jīng)可以超過1萬次，并且業(yè)內(nèi)相關(guān)技術(shù)也比較成熟穩(wěn)定，但問題在于整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)很難匹配儲(chǔ)能電池這么長(zhǎng)的壽命期。一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)在于，儲(chǔ)能系統(tǒng)中的部件，如PCS很難實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命，即便如今不少企業(yè)已經(jīng)將PCS的設(shè)計(jì)壽命定在25年，但其中一些關(guān)鍵的元器件，如IGBT，很難支持PCS長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行。

作為PCS的關(guān)鍵核心部件，IGBT作為功率開關(guān)器件，在儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電過程中起到關(guān)鍵的控制作用，甚至可以說IGBT的性能決定了PCS的性能。

但在頻繁的充放電切換以及大電流、高電壓的工作條件下，IGBT存在著一定的損耗風(fēng)險(xiǎn)。比如IGBT在導(dǎo)通和關(guān)斷過程中會(huì)產(chǎn)生熱量，尤其是在高頻、大電流工作時(shí)，會(huì)導(dǎo)致溫升過高，長(zhǎng)期過熱可能導(dǎo)致IGBT老化加速甚至失效。

此外，也有許多企業(yè)給出相關(guān)解決方案，來降低IGBT的損耗。通常來說，儲(chǔ)能PCS的損耗主要包括開關(guān)管的損耗和濾波電感上的損耗。IGBT作為開關(guān)管的一種，其損耗計(jì)算需要考慮通態(tài)損耗和開關(guān)損耗。通態(tài)損耗是指IGBT在導(dǎo)通狀態(tài)下的損耗，而開關(guān)損耗則發(fā)生在IGBT開通和關(guān)斷的過程中。在一個(gè)工頻周期內(nèi)，對(duì)損耗能量進(jìn)行積分可以得到IGBT的總損耗。

由于IGBT在設(shè)計(jì)上考慮了降低損耗，因此在正常運(yùn)行溫度范圍內(nèi)（25℃至125℃），其工作結(jié)溫相對(duì)穩(wěn)定，有助于維持較低的損耗水平。

比如不少主流廠商已經(jīng)開始推出液冷PCS產(chǎn)品，通過液冷的方式，能夠讓不同IGBT之間的溫差小于2度，極大提升了IGBT的壽命與可靠性。

當(dāng)然，一款好的IGBT產(chǎn)品，也能在一定程度上提升儲(chǔ)能系統(tǒng)的壽命。從公司來看，國(guó)外研發(fā)IGBT器件的公司主要有英飛凌、三菱、富士等。中國(guó)功率半導(dǎo)體市場(chǎng)占世界市場(chǎng)的50%以上，但在中高端MOSFET及IGBT主流器件市場(chǎng)上，仍然大多依賴進(jìn)口。

不過隨著2014年，國(guó)內(nèi)8英寸IGBT專業(yè)芯片線投產(chǎn)后，也打破了國(guó)外在高端IGBT芯片技術(shù)上的壟斷。加上國(guó)內(nèi)政策推動(dòng)及市場(chǎng)牽引下促進(jìn)IGBT迅速發(fā)展，讓IGBT國(guó)產(chǎn)化的進(jìn)程加快。

國(guó)內(nèi)代表企業(yè)如華潤(rùn)微、士蘭微、揚(yáng)杰科技、宏微科技、比亞迪半導(dǎo)體、新潔能、捷捷微電、斯達(dá)半導(dǎo)體、蘇州固锝、積塔半導(dǎo)體、芯未半導(dǎo)體等。國(guó)內(nèi)企業(yè)在國(guó)家政策的大力扶持下，加大研發(fā)投入，積極突破IGBT芯片設(shè)計(jì)、制造及封裝測(cè)試等關(guān)鍵技術(shù)，逐步實(shí)現(xiàn)從依賴進(jìn)口到自主可控的轉(zhuǎn)變。

小結(jié)

IGBT作為一種高效能的半導(dǎo)體器件，在儲(chǔ)能系統(tǒng)中扮演著關(guān)鍵角色。它們負(fù)責(zé)電能的整流、逆變等作用，對(duì)于實(shí)現(xiàn)新能源發(fā)電的交流并網(wǎng)、儲(chǔ)能電池的充放電等功能至關(guān)重要。IGBT的性能和可靠性直接影響到新能源發(fā)電的效率以及逆變器的使用壽命。為了延長(zhǎng)IGBT的使用壽命，部分企業(yè)開發(fā)了低損耗高頻IGBT產(chǎn)品，這些產(chǎn)品已經(jīng)通過了多家行業(yè)代表客戶的測(cè)試，有望深度受益儲(chǔ)能市場(chǎng)的發(fā)展及國(guó)產(chǎn)化替代加速。