文/黄如 叶乐 廖怀林，北京大学微电子学研究院
3分布式储能技术
3.1分布式储能技术的特征
为了适应新能源革命的需要，可再生能源必定会成为能源互联网的重要元素。可再生能源的间歇性和分散性使得电网的稳定运行离不开分布式储能系统。分布式储能技术能缓解电能供需不平衡问题并增强系统稳定性，吸收可再生能源电量。分布式储能为可再生能源通过微电网接入大电网提供可靠的稳定支撑。分布式储能技术主要包括分布式储能器、电池智能管理和信息采集两大部分。电池智能管理和信息采集系统通过准确实时测量电池的信息，动态智能地管理电池，合理调用能量以保证分布式储能器的安全。配合使用的储能器需要拥有较高的比能量和比功率及长循环寿命才能进入实际产业应用。分布式储能在微电网中的主要作用如图8所示，主要包括以下几点：
1）提高电网运行的稳定性。能量存储使得分布式发电机即使在负荷波动较大的情况下也能够输出稳定而高质量的电压。可靠的分布式发电装置与分布式储能装置结合是解决电压脉冲、涌流、电压跌落和瞬时供电中断的有效途径之一。
2)解决分布式电网发电的波动性间歇性问题。例如太阳能发电在夜间难以产生足够的电量，风力发电的产能随风的强度波动较大等。这样的非持续的、不稳定的电能供给需要系统中的储能管理系统来调节输出，利用储能器中的电量使输出电压稳定。
3)实现采能、储能、用能间最大限度的微平衡。实时控制算法，决定何时打开和关闭分布式储能器，能量何时流出和流入多少能量到缓冲区。当采集能量少于负载用电时，分布式储能器进行适当放电；当采集能量大于负载用电时，分布式储能器进行适当充电；从而实现微电网电压的平稳。
3.2分布式储能器
传统电力储能技术主要有抽水储能、压缩空气储能、蓄电池储能、飞轮储能等。其中，蓄电池储能由于技术相对成熟，尤其是铅酸蓄电池已在各个行业得到了广泛应用，是其他储能技术没有重大突破前的主要手段。随着可再生能源的推广应用，传统电力储能技术很难走进家庭和用户单元，高效、小型的储能器和储能管理系统是分布式储能技术的进一步需求。锂离子电池具有工作电压高、能量密度大、无记忆效应、循环寿命长等优点，已成为各类电子产品的主要电源，也成为了新能源汽车的主流技术路线。然而锂离子电池在分布式储能器中的应用上还存在很多问题，如循环寿命是否达到要求、电池安全性如何保证、电池电解液存在爆炸风险等。
分布式储能器需要在能量密度、小型化、环保化、使用寿命、安全性等方面进行突破。超级电容电池似乎更适于分布式微电网的应用。超级电容电池安全性高、成本低、比能量与比功率高、循环寿命长；与锂离子电池、镍氢电池相比寿命更长，且电容量受温度影响很小，有望成为代替传统储能方式的分布式储能器。超级电容是将两个无反应活性的多孔电极板悬浮于电解质中，在极板上加电后，正/负极板将分别吸引负/正离子，从而形成等效的超高密度双层电容器。
如图9所示，超级电容电池是将双层电容器与铅酸电池融合，在保持高功率、长寿命优点的同时，又能简化电路、提高比能量，并降低总费用。超级电容电池的一项关键技术是碳材料，如何在有限尺寸下增加极板的有效表面积，对增加电池容量至关重要；另一方面，为解决负极板上的“硫酸盐化”现象，可通过增加负极板中碳的含量来抑制PbSO4在负极板上的积累，从而延长电池寿命。超级电容电池的小型化技术也在不断进步，微米级的超级电容电池研究将推动其超小型化的应用。
然而，面对实际应用，超级电容电池还有很多难题需要解决，如成本问题，每年每度电85美金的价格还不能被用户接受；此外，技术成熟度有待进一步提高。另一方面，单一的储能技术难以同时满足能量密度、功率密度、储能效率、使用寿命、环境特性以及成本等性能指标，因此将两种或两种以上性能互补性强的储能技术相结合，组成复合储能，有望取得良好的技术与经济性能折衷。
3.3电池智能管理与信息采集
电池管理是分布式储能技术的关键技术之一。电池管理系统不仅可以准确估计电池电量等信息，还可以控制电池工作状态、延长电池寿命、确保电池安全等。电池管理系统关键功能之一是确保电池安全，防止电池工作在危险状态，同时实现电池串中所有单元电池的均衡管理。危险的状况主要是由电池化学特性所引起的，电池电量低于一定程度却仍然继续深度放电，或者在电池充满电后却仍然继续充电，或者电池充放电速率高于安全值等，可导致电池发生危险状况。此外，电池工作温度对于电池安全同样非常重要，电池管理系统可以设置工作温度限制，防止电池工作温度超出安全范围。
例如，锂电池的充电温度范围在0∼60?C，放电和存储温度范围在20∼60?C。电池信息采集对防止电池过充过放、保护电池安全、优化电池管理、准确估计电池电量等具有重要意义。电池电量等状态会受到电池电流、电压、温度、湿度、压力、PH值等因素影响；此外，电池由数目众多的电池单元组成，对电池单元的信息采集可为电池管理提供全面多样的信息，有利于提高电池管理效能。
因此，基于微电子技术的集成传感芯片可以集成进电池单元，为电池管理提供重要的支撑。电池管理与信息采集可提供精准实时的数据，如用户实时用电量、用电方式与用电时段等，可再生能源发电等信息，结合智能仿真和先进计算技术从而监测故障，优化用电和用户储能行为。
此外，分布式储能器对每一个电池单元的动态智能管理可以实现分布式管理的效益最大化，而电池单元数量很大，因此对电池智能管理与信息采集芯片的需求是海量的。另一方面，面对分布式微电网的电池管理芯片还有很多挑战，如抗干扰能力、电池信息采集的精度、系统设计复杂度的降低、低功耗的数据传输、高集成度等。
3.4分布式储能技术的现状和发展方向
国外储能技术的起步较早，发展较快。2009年1月美国白宫发布《复苏计划尺度报告》，计划在美国铺设或更新3000英里输电线，并安装4000万只家用智能电表。美国AEP公司成功研发50kWh三相流480V、直流480V的碳铅储能系统，并用于办公大楼等。储能技术不仅应用于办公大楼，在机动车方面应用更加广泛。CSIRO澳大利亚联邦科学与工业研究组织与日本古河电池公司合作，将该铅炭超级电池应用于本田Insight系列混合动力车上，通过了16万公里的寿命测试。
我国的储能技术起步较晚，但是发展迅速。2013年9月，南车株洲电力机车有限公司生产出初级超级电容轻轨列车，我国自主研发的大功率超级电容单体成功实现了批量生产。尽管分布式发电具有投资低、绿色环保、灵活性高等优点，但是分布式发电会对电网的电能质量和可靠性产生不利影响，例如瞬间的能量不平衡会导致电网电压不稳定；因此电能可否大量、实时地分布式存储对电网的稳定运行至关重要。超级电容电池、新兴纳米材料、电池智能管理与信息采集等技术的发展与突破，将进一步推进分布式储能器乃至可再生能源互联网的发展。
4信息采集芯片技术
4.1信息采集芯片技术的特征
信息技术的深度融合是可再生能源互联网区别于传统电网的关键特征之一，同时也是可再生能源互联网实现能源共享与高效运行的必要保证。基于微电子技术的新型信息采集芯片是可再生能源互联网的重要支撑，是信息技术在可再生能源互联网中深度融合的集中体现。图10展示了信息采集芯片在能源互联网中的支撑作用。
可再生能源互联网实现电力网络信息化的基础在于低成本多功能的信息采集芯片的发展，这要是由可再生能源互联网的信息特征所决定的。
•海量数据。可再生能源互联网中信息的来源空间分布广、数据量庞大。这些数据的来源既包括每一个微电网中的分布式产能装置、分布式储能装置及分布式用电装置，也包括遍及各地的输电网络及其设备。信息采集芯片需要海量装备到能源互联网中，实现对电力网络状态的实时、广泛监测与控制，提高可再生能源互联网的可靠性。因此信息的获取必须采用低成本技术方案，只有成本足够低，才有可能实现海量的装备。在过去的半个多世纪中，硅基CMOS技术的发展一直遵循着摩尔定律，每隔18个月芯片尺寸减小一倍、集成度提高一倍、而成本则降低到一半。在今天，硅基CMOS技术为可再生能源互联网的低成本信息采集技术提供了最大技术可能性。
•多样信息。能源互联网中信息的种类多，需要完成多样化多功能的信息采集。首先是电学相关信息，主要包括电压、电流、实功率、虚功率及谐波信息等。这方面数据不仅是实现电能监测、保证电能质量的必需参数，关于能量消费的实时数据更是实现用户需求侧响应、建立能量在线交易、实现能源共享乃至进一步潜在商业应用开发的前提。
其次，是非电学量相关信息，包括温度、湿度、风速、压力、PH值等传感数据。这方面数据直接反映了电力网络相关设备的状态信息，特别是与可再生能源的有效利用息息相关。在可再生能源大量接入网络的情况下，保证可再生能源互联网稳定性的基础在于及时获取分布式发电装置及分布式储能装置的状态信息，实现实时有效监测和调度。
近些年微电子微机电系统(micro-electro-mechanicalsystem，MEMS)技术的飞速发展提供了各种各类的低成本、可集成传感方案，可以实现对能源互联网相关设备的状态信息的有效监测。可以预见未来可再生能源互联网的这样一个情景：基于CMOS技术的信息采集芯片遍布整个网络，收集、处理和传送各种电力网络状态数据；包含传感、数据收发等功能的每一个信息采集芯片构成一个传感节点，通过有线传感网络或无线传感网络(wirelesssensornetworks)形式构建一张信息网络，从而实现对电力网络的全方位监测和实时有效控制。
4.2信息采集芯片技术的挑战及发展方向
适应能源互联网的需求，基于CMOS技术的新型信息采集芯片面临的技术挑战主要有四方面，主要包括芯片自供能技术、低功耗技术、工况多样性及高集成度。
•自供能。能源互联网追求的是高可靠性、低日常维护需求的现代化、信息化电力网络，其重要的优势之一就是故障自动检测、定位乃至自愈。这就要求在网络发生故障及断电的情况下电网的故障信息能够及时传送到控制中心。为满足这一要求，信息采集芯片必须在断电的情况下仍能正常工作或工作一段时间。通过集成能量采集模块，实现芯片的自供能，是一个非常有前景的技术方案。实现自供能技术的信息采集芯片具有日常维护需求低、持续工作时间长、成本低等特点。可以利用的能量来源包括电磁能量、光能、热能、振动能等。
•低功耗。信息采集芯片的低功耗设计体现在集成电路技术和半导体器件两个层面。在低功耗的集成电路技术中，近阈值技术是速度与功耗的最佳折中，具有很好的应用前景。近阈值电路的速度比亚阈值电路有极大的提高，而功耗比过阈值电路有显著降低，能量效率可以提升5∼10倍。其他重要的低功耗集成电路技术包括采用低工作电压、对非工作模块实行休眠的栅控功耗技术、动态供电/频率技术、非关键晶体管采用长沟器件等。低功耗器件的开发与优化是低功耗芯片的核心与基础，在器件层面，应着重包括晶体管与非易失性存储器在内的器件低功耗特性优化。
随着特征尺寸的降低，进入纳米尺度后，晶体管的漏电日趋严重。通过多栅结构，如鳍式场效应晶体管(?n?eld-e?ecttransistor，FinFET)、围栅纳米线器件等，能够显著降低功耗。另外，基于新工作机理的隧穿场效应晶体管(tunneling?eld-e?ectortransistor，TFET)提供了新的研究发展方向。对于非易失性存储器，在浮栅闪存和电荷陷阱型存储器外，基于新工作机理的自旋转移力矩磁阻存储器(spin-transfer-torquemagnetic random access memory，STT-MRAM)和阻变存储器(resistiverandomaccessmemory，RRAM)是具有良好应用前景的器件。工况多样。这源自电力网络的广泛性及遍布性。能源互联网中的信息采集芯片面临的工作变化多样，需要面对宽温区变化、高压、强电磁干扰等复杂工作环境。满足能源互联网信息采集需求的CMOS传感器设计是实现信息采集的关键，包括片上集成温度传感器、压力传感器、湿度传感器等。
就温度传感器而言，如何在宽温度范围内保证精度仍是一个挑战。目前温度传感器的设计可以基于不同的原理和结构，包括热敏电阻、双极晶体管、亚阈值区MOS管等。高集成度。从系统层面来说，信息采集芯片需要更高地提高集成度。以目前国内快速发展的电能计量芯片为例，数据显示，2012年国内智能电表芯片出货量近6千万片，同比增长56。6%；然而装备于现阶段智能电表的电能计量芯片自身集成度并不高，更谈不上融合集成更多传感测量功能的芯片，即使在国外也是如此。
一个典型的智能电表芯片通常需要包括电能计量电路、处理器芯片、数据通信芯片、高精度实时时钟、液晶显示驱动芯片、温度传感器、数据安全芯片及非易失存储器等模块电路。高集成度、高灵活配置的SOC(systemonchip)和SIP(systeminpackage)方案是目前的发展方向。
更进一步，仅仅提高电能计量芯片自身的集成度是远远无法满足未来能源互联网的技术需求的。需要融合更多的传感器，以更好地发挥在能源互联网中类似家庭网关的能源网关的发展趋势，实现整个微电网各组成部分的数据采集与控制。
5 通信芯片技术
可再生能源互联网是由可再生电网与信息网络高度融合而成，安全可靠的通信是可再生能源互联网高效运行的保障。现有的互联网通信技术，包括有线通信和无线通信，可胜任可再生能源互联网的日常运行，然而互联网非物理隔离、高度开放、易受攻击，因此将电力网络完全暴露在开放的互联网之下，是不安全、不可靠的。
因此，在某些对安全性要求高的特殊应用中，需要建立另一套与互联网物理隔离的通信体系，保障信息传输的安全可靠。电力线通信(powerlinecommunication，PLC)则是一个较好的选择。电力线路和电力网络本身相对封闭，与互联网物理隔离、不易受攻击、安全可靠，因此可以以电力线为载体，通过PLC实现对可再生能源互联网的控制。
然而，PLC芯片也面临着一系列挑战：1)耐高压：电力线同时传输电能和通信信号，电能电压高达几百、上千、乃至更高伏特，对PLC芯片提出了很高的耐高压要求；2)抗强干扰：电力线中传输的高压电能信号和其他强电信号对微弱的通信电信号而言，是很强的干扰，对PLC芯片提出了很高的抗强干扰要求；3)断电时有限时间内工作：当微电网出现故障时，有必要在断电时将微电网数据传输出去。
为实现上述要求，需要通过对微电子的材料、工艺、器件、及电路等多层次的创新。另一方面，可再生能源互联网规模庞大，信息采集点数目众多，仅依赖于PLC无法完全覆盖所有的通信需求。无线传感网络不依赖于电力线作为通信载体，可作为PLC的有力补充。低成本、海量的信息采集应当配以低成本、海量的无线传感通信芯片，一部分无线传感通信芯片可以从电力线中获取电能，然而相当一部分无线传感通信芯片不具备从电力线中获取电能的条件，因此其面临的主要挑战就是如何解决低功耗和自供能的问题。
一种可行的方案是，低功耗芯片技术结合微型超级电池，以期支持芯片工作数年或更长的时间。另一种更加前瞻性的技术方案是射频充电自供能体制。图11展示了一种基于射频充电的自供能无线传感网络。
无线充电节点可布置于电力线上，从电力线中获取电能并向周围发射射频信号，向外发射1W，900MHz的射频信号可以使距离10m范围内的末端芯片平台获得大约10µW的能量，这一微弱能量已经可以支持诸如超高频射频识别标签、温度传感器等电路的工作。进一步，如图12所示，末端芯片平台可以通过超高频RFID标签芯片平台来实现，该芯片平台通过射频充电接收能量，并可将能量储存起来，从而可以支持功耗要求更高的传感器芯片和无线通信芯片间断性工作，解决了无供电情况下的通信问题。
6结论
微电子技术在可再生能源互联网中发挥着重要的支撑性作用，其涉及可再生能源互联网的各个部分。为了满足可再生能源互联网对电子系统的五大要求：高效性、安全性、可靠性、便利性、宽范性，微电子技术需要多个层面的理论创新和技术创新，包括微电子材料、工艺、器件和电路。
可再生能源互联网也给微电子技术发展带来了新的创新需求与发展空间，国际也尚处于刚刚起步阶段，如果我国能够抓住这一历史机遇，推进相关微电子技术的研究与发展，从而可以为我国在可再生能源互联网领域占据前沿制高点奠定坚实的基础。
未来我们应当重点在一下几个方面给予关注：
1)面向可再生能源互联网的功率半导体材料、器件、固态变压器组件等领域的研究与产业化；
2)超级电池和电池管理芯片相关研究与产业化；
3)面向可再生能源互联网应用的、与CMOS工艺兼容的低成本、低功耗的信息采集芯片技术研究与产业化；
4)中国自主的电力线通信协议、相关支撑芯片、以及面向可再生能源互联网的无线传感网WSN等。
