Řešení pro ukládání energie do baterií (ESS) se používají nejen v průmyslových a energetických aplikacích, ale také v domácnostech, což se stalo klíčem k současnému vývoji aplikací a trhu. Domácí ESS řešení vyžadují menší výkon, ale stále mají stejné požadavky na účinnost přeměny a bezpečnost jako průmyslové aplikace. V tomto článku vám představíme tržní trend domácích ESS řešení a představíme funkční charakteristiky řešení souvisejících s SiC.
Rezidenční ESS pro ukládání a správu energie
Rezidenční ESS je řešení pro ukládání energie používané v domácnostech k ukládání a správě elektrické energie za účelem zlepšení energetické účinnosti, snížení nákladů na energii a zvýšení stability dodávky energie. Aplikace rezidenčního ESS obvykle zahrnují systémy solární výroby energie (fotovoltaické (PV) systémy), kde jsou solární PV panely obvykle umístěny na střeše nebo jiném vhodném místě pro přeměnu slunečního záření na stejnosměrnou (DC) elektrickou energii.
ESS také vyžaduje řadič nabíjení, který je zodpovědný za monitorování výstupu solárního energetického systému a řízení toku elektřiny do systému ukládání energie, což zajišťuje, že elektřina vyrobená ze sluneční energie je uložena v baterii. Baterie jsou základní součástí ESS a slouží k ukládání elektřiny vyrobené ze sluneční energie během dne pro dodávku energie v noci nebo za zatažených dnů. Běžné technologie baterií dostupné dnes zahrnují lithium-iontové (Li-ion) a olověné baterie.
ESS také vyžaduje invertor pro převod stejnosměrné energie uložené v bateriích na střídavou energii pro napájení spotřebičů a osvětlení v domácnosti, a systém řízení energie (EMS) pro sledování spotřeby energie v domácnosti, předpovědí počasí a cen elektřiny za účelem optimalizace využití a ukládání energie. Může automaticky řídit proces nabíjení a vybíjení, aby byla zajištěna optimální energetická účinnost.
Rezidenční ESS může být také připojen k síti, což umožňuje domácnostem nakupovat elektřinu podle potřeby nebo prodávat přebytečnou energii do sítě, když je energie dostatek – tato schopnost toku energie v obou směrech je známá jako „dvoucestné měření“. Prostřednictvím monitorovacího systému mohou domácnosti sledovat provozní stav energetického systému, výrobu a spotřebu energie v reálném čase a provádět provozní úpravy prostřednictvím dálkového ovládacího systému, například změnou provozního režimu systému ukládání energie nebo nastavením časů nabíjení a vybíjení.
Architektura rezidenčního ESS může být přizpůsobena specifickým potřebám a technologiím, aby byla zajištěna optimální výkonnost a efektivita. Takové systémy pomáhají dosáhnout energetické soběstačnosti, šetřit energii a snižovat emise a poskytují záložní napájení v případě výpadku sítě.
Aplikace rezidenčních ESS se liší od průmyslových aplikací z hlediska požadavků, přičemž hlavní rozdíly jsou v tom, že rezidenční ESS vyžadují nižší výkon, obvykle méně než 10 kW, musí podporovat obousměrnou konverzi energie, většinou používají vysoce účinné AC/DC topologie s vysokými EMC charakteristikami, stejně jako vysoce účinné DC/DC topologie s vysokými bezpečnostními specifikacemi, a musí podporovat široký rozsah napětí sběrnice od 360 V do 550 V. Baterie jsou obvykle umístěny na DC straně, což vyžaduje systémovou účinnost více než 90 % a spolehlivou stabilitu systému, snahu o vysokou hustotu výkonu, aby bylo dosaženo cíle malé velikosti a nízké hmotnosti, a potřebu snížit náklady systému, a požadavky na bezpečnost, EMC, hluk a další charakteristiky s vyššími nároky.
SiC překonává křemíkové zařízení
Aby bylo možné splnit výše uvedené požadavky, je často vyžadován karbid křemíku (SiC) pro přeměnu energie, díky některým významným výhodám zařízení SiC, které mohou zlepšit účinnost systému při vysokých proudech a vysokých teplotách, a vysoká odolnost elektrického pole materiálů SiC umožňuje zařízením SiC pracovat při vyšších napětích, s vyššími průraznými napětími ve srovnání se zařízeními z křemíku, což činí zařízení SiC zvláště užitečnými v aplikacích pro přeměnu energie.
To činí zařízení SiC zvláště užitečnými v aplikacích pro konverzi energie.
Kromě toho mají zařízení SiC vyšší rychlost migrace elektronů, což je činí lepšími pro aplikace s vysokou frekvencí. Pro aplikace jako jsou vysokofrekvenční měniče a výkonové zesilovače nabízejí zařízení SiC zlepšený výkon. Tepelná vodivost SiC je třikrát vyšší než u křemíku a umožňuje menší velikost a hmotnost pro zvýšení hustoty výkonu, optimalizaci nákladů systému, snížení nákladů na jednotku objemu, obousměrnou konverzi energie a bezpečnost a spolehlivost, což vede k 50% snížení velikosti a nižším nákladům na watt, což znamená menší a lehčí zařízení při stejné úrovni výkonu.
Materiály SiC jsou chemicky stabilní a méně náchylné k korozivním látkám. To činí zařízení SiC vhodnější pro použití v některých extrémních prostředích. Zařízení SiC mají vysoké rychlosti pohybu nosičů, což jim umožňuje rychlejší přepínání. To je výhodné pro snížení ztrát při přepínání, zvýšení účinnosti konverze a zlepšení dynamiky zařízení.
Použití řešení pro ukládání energie na bázi SiC může mít menší velikost a hmotnost produktu, může dosáhnout vyšší spínací frekvence a díky použití menších magnetických zařízení může používat menší transformátory / induktory, jeho ztráty jsou menší, lepší odvod tepla, stejný výkon lze namontovat do menšího krytu, a ve srovnání s křemíkovými IGBT se hustota výkonu SiC (W / Kg) zdvojnásobila, s vysokou hustotou výkonu, a může používat jednoduchou obousměrnou topologii měniče s menší smyčkovou regulací a vyšší účinností.
Zařízení SiC mají nižší odpor při sepnutí na jednotku objemu, nízké ztráty při vedení, žádné zpoždění proudu při vypnutí, nízké spínací ztráty a velmi nízké ztráty při obnově tělesové diody, a mohou snížit obsah kusovníku (BOM), odolnost systému a zvýšit spolehlivost.
DC-DC vysokonapěťová strana návrhu, například při napětí sběrnice 500V lze použít 1200V SiC a IGBT, řídicí napětí 15V / -2,5V, spínací frekvence 30kHz, druhá strana obvodu může používat 650V SiC a IGBT, řídicí napětí 15V / -2,5V, spínací frekvence 76kHz. Vysokonapěťová strana obvodu, když je použito zařízení SiC, má vyšší účinnost. Vyšší účinnost je dosažena, když jsou zařízení SiC použita ve vysokonapěťové straně obvodu, výkonové trubice SiC jsou řízeny 15V a jsou kompatibilní s řešeními výkonových trubic IGBT.
Výzvy a řešení pro obousměrné DC/DC měniče
Existuje mnoho výzev při navrhování obousměrného DC/DC měniče pro ESS, jako je řešení problému napěťového stresu Vds na nízké straně MOS v ustáleném provozu a bez zátěže v režimu vybíjení, a řešením je zvýšení indukčnosti na primáru transformátoru na 200µH, což snižuje napěťový stres o 25 % a zlepšuje účinnost o 6 % až 7 %.
Kromě toho, aby se vyřešil problém napěťového namáhání Vds v režimu vybíjení a při spuštění, je řešením použití hybridní regulace PWM+PFM na vstupním portu, což sníží napěťové namáhání o 27 %, a maximální napětí Vmax je 124 V při 80 V. Podobně v režimu vybíjení musí rezonanční kondenzátor čelit abnormálně vysoké teplotě (96 ℃ při 2100 W), a kondenzátor lze vyměnit za mkp21224/400VDC, což sníží napěťové namáhání o 25 % a zlepší účinnost o 6 % až 7 %. /400VDC lze teplotu rezonančního kondenzátoru snížit na 65 ℃ při 3000 W.
Na druhou stranu, v režimu vybíjení se provozní frekvence náhle změní na 180 kHz a křivka zisku není stabilní. V tomto případě lze křivku zisku udržet stabilní laděním pevného času SRMOS na frekvenční bod pod 180 kHz.
Produkty SiC MOSFET splňují požadavky na návrh DC-DC
Jako příklad lze uvést referenční návrh obousměrného vysokofrekvenčního izolovaného DC-DC měniče 6600V 48V, jehož nabíjecí část může podporovat nabíjecí rozsah DC sběrnice 380-480 VDC, nabíjecí proud DC sběrnice ≦16A, výstupní napětí 40-60 VDC, výstupní proud ≦140A, výstupní výkon až 6,6 kW, účinnost nabíjení až 95 % při 420V, faktor zvlnění nabíjecího proudu je 1 %. V sekci vybíjení je rozsah napětí na straně baterie 40-60 VDC, proud na straně baterie ≦140A, rozsah napětí DC sběrnice je 380-480 VDC, výstupní výkon až 6,6 kW, účinnost vybíjení až 94 % při 54V a koeficient zvlnění napětí sběrnice je 1 %.
Tento referenční návrh pracuje na nízkonapěťové straně v rozsahu 43V-57V bez regulátoru Buck_Boost a při plném výkonu v rozsahu 49V-57V, s maximálním stabilizovaným výstupním proudem 142A a maximálním krátkodobým výstupním proudem 150A (Vin = 420V, odporová zátěž). S regulátorem Buck_Boost pracuje nízkonapěťová strana v rozsahu 43V-57V, rozsah provozu při plném výkonu je 49V-60V, maximální stabilizovaný výstupní proud je 145A a maximální krátkodobý výstupní proud je 150A (Vin = 420V, odporová zátěž). Tento referenční návrh využívá osm SiC MOSFETů Rohm SCT3030AR v pouzdře TO-247, stejně jako řadič brány BM61S41RFV-C s výkonovými MOSFETy RJ1P12BBDTLL.
SCT3030AR od Rohm je SiC MOSFET podporující 650V Nch v 4-pinovém pouzdře a je to trench gate SiC MOSFET ideálně vhodný pro napájecí zdroje serverů, solární invertory a nabíjecí stanice pro elektrická vozidla, které vyžadují vysokou účinnost atd. Je dostupný v 4-pinovém pouzdře, které odděluje pin zdroje napájení od pinu zdroje ovladače, což maximalizuje výkon vysokorychlostního spínání. Zejména výrazně zlepšuje ztráty při vedení, snižuje ztráty při vedení a ztráty při vypínání o celkem přibližně 35 % ve srovnání s předchozím 3-pinovým pouzdrem (TO-247N).
SCT3030AR od Rohm se vyznačuje nízkým odporem v sepnutém stavu, rychlou spínací rychlostí, rychlým zpětným zotavením, snadným paralelním zapojením a jednoduchým řízením a je dostupný v bezolovnatém pokoveném pouzdře, které je v souladu s RoHS, pro širokou škálu aplikací, jako jsou solární invertory, DC/DC měniče, spínané zdroje napájení, indukční ohřev a pohony motorů.
BM61S41RFV-C je řadič brány s izolačním napětím 3750 Vrms, maximálním napětím řízení brány 24V, maximální dobou zpoždění I/O 65 ns, minimální šířkou vstupního pulzu 60 ns, výstupním proudem 4A, funkcí blokování při nízkém napětí (UVLO) a aktivní funkcí Millerovy svorky, splňuje standard AEC-Q100 a používá pouzdro SSOP-B10W. RJ1P12BBD je Nch 100V 120A výkonový MOSFET s nízkým odporem v sepnutém stavu, vysokým výkonem v malém pouzdru, bezolovnatým pokovením, splňuje RoHS, je bez halogenů a testován na UIS.
Závěr
Jak se zelená energie stává stále důležitější pro mezinárodní společenství, zároveň pohání rychlý rozvoj rezidenčních aplikací ESS, které zahrnují značné množství elektronických komponent a řešení, a také představují obrovskou tržní příležitost.
