Energiespeicherlösungen für effiziente Energieversorgung für Privathaushalte
05 Jul 2024
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Batterieenergiespeicherlösungen (ESS) werden nicht nur in Industrie- und Stromerzeugungsanwendungen eingesetzt, sondern auch im Wohnbereich, was zum Schlüssel für die aktuelle Anwendungs- und Marktentwicklung geworden ist. ESS-Lösungen für Privathaushalte benötigen weniger Strom, stellen aber dennoch die gleichen Anforderungen an Umwandlungseffizienz und Sicherheit wie industrielle Anwendungen. In diesem Artikel stellen wir Ihnen den Markttrend von ESS-Lösungen für Privathaushalte vor und stellen die Funktionsmerkmale von SiC-bezogenen Lösungen vor.
Residential ESS zur Speicherung und Verwaltung von Energie
Residential ESS ist eine Energiespeicherlösung, die in Privathaushalten zur Speicherung und Verwaltung elektrischer Energie eingesetzt wird, um die Energieeffizienz zu verbessern, Energiekosten zu senken und die Stabilität der Energieversorgung zu erhöhen. Zu den ESS-Anwendungen für Privathaushalte gehören in der Regel Solarstromerzeugungssysteme (Photovoltaik-(PV)-Systeme), bei denen Solar-PV-Module typischerweise auf dem Dach oder an einem anderen geeigneten Ort montiert werden, um Sonnenlicht in elektrische Gleichstromenergie (DC) umzuwandeln.
Ein ESS erfordert außerdem einen Laderegler, der für die Überwachung der Leistung der Solarstromanlage und die Steuerung des Stromflusses zum Energiespeichersystem verantwortlich ist, das dafür sorgt, dass der solarerzeugte Strom in einer Batterie gespeichert wird. Batterien sind die Kernkomponente des ESS und dienen dazu, tagsüber den solar erzeugten Strom zu speichern, um ihn nachts oder an bewölkten Tagen mit Energie zu versorgen. Zu den gängigen Batterietechnologien, die heute verfügbar sind, gehören Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion) und Blei-Säure-Batterien.
Das ESS erfordert außerdem einen Wechselrichter, der den in den Batterien gespeicherten Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt, um Geräte und Beleuchtung im Haus zu versorgen, sowie ein Energiemanagementsystem (EMS), um den Energieverbrauch des Hauses, Wettervorhersagen und Strompreise zu überwachen und zu optimieren Energienutzung und -speicherung. Es kann den Lade- und Entladevorgang automatisch steuern, um eine optimale Energieeffizienz zu gewährleisten.
Das Wohn-ESS kann auch an das Stromnetz angeschlossen werden, sodass Haushalte bei Bedarf Strom kaufen oder überschüssige Energie an das Stromnetz verkaufen können, wenn genügend Energie vorhanden ist. Diese Fähigkeit, Energie in beide Richtungen zu fließen, wird als „Zwei-Wege-Messung“ bezeichnet. Durch das Überwachungssystem können Hausbesitzer den Betriebsstatus des Energiesystems, die Energieerzeugung und den Energieverbrauch in Echtzeit überwachen und über das Fernsteuerungssystem betriebliche Anpassungen vornehmen, wie z. B. die Änderung des Betriebsmodus des Energiespeichersystems oder die Einstellung der Lade- und Entladezeiten.
Die Architektur eines Wohn-ESS kann an spezifische Bedürfnisse und Technologien angepasst werden, um optimale Leistung und Effizienz zu gewährleisten. Solche Systeme tragen dazu bei, Energieautarkie zu erreichen, Energie zu sparen, Emissionen zu reduzieren und bei einem Netzausfall Notstrom bereitzustellen.
ESS-Anwendungen für Privathaushalte unterscheiden sich hinsichtlich der Anforderungen von industriellen Anwendungen. Die Hauptunterschiede bestehen darin, dass ESS für Privathaushalte eine geringere Leistung benötigen, typischerweise weniger als 10 kW, eine bidirektionale Stromumwandlung unterstützen müssen und meist hocheffiziente AC/DC-Topologien mit hohen EMV-Eigenschaften verwenden. sowie hocheffiziente DC/DC-Topologien mit hohen Sicherheitsspezifikationen und müssen einen breiten Bereich von Busspannungen von 360 V bis 550 V unterstützen. Die Batterien werden normalerweise auf der DC-Seite platziert, was einen Systemwirkungsgrad von mehr als 90 % und eine zuverlässige Systemstabilität erfordert. Das Streben nach einer hohen Leistungsdichte, das Erreichen des Ziels einer geringen Größe und eines geringen Gewichts sowie die Notwendigkeit, die Systemkosten zu senken, sowie die Anforderungen an Sicherheit, EMV, Lärm und andere Eigenschaften der höheren Anforderungen.
SiC übertrifft Siliziumgeräte
Um die oben genannten Anforderungen zu erfüllen, wird häufig Siliziumkarbid (SiC) für die Stromumwandlung benötigt, da SiC-Geräte einige wesentliche Vorteile haben, die die Systemeffizienz bei hohen Strömen und hohen Temperaturen verbessern können, sowie die hohe Widerstandsfähigkeit von SiC-Materialien gegenüber elektrischen Feldern ermöglicht den Betrieb von SiC-Geräten bei höheren Spannungen und höheren Spannungsfestigkeiten im Vergleich zu Silizium-Geräten, was SiC-Geräte besonders nützlich für Leistungsumwandlungsanwendungen macht.
Dies macht SiC-Geräte besonders nützlich für Stromumwandlungsanwendungen.
Darüber hinaus weisen SiC-Geräte eine höhere Elektronenmigrationsrate auf, was sie bei Hochfrequenzanwendungen überlegen macht. Für Anwendungen wie Hochfrequenzwandler und Leistungsverstärker bieten SiC-Geräte eine verbesserte Leistung. Die Wärmeleitfähigkeit von SiC ist dreimal so hoch wie die von Silizium und ermöglicht eine geringere Größe und ein geringeres Gewicht, um die Leistungsdichte zu erhöhen, die Systemkosten zu optimieren, die Kosten pro Volumeneinheit zu senken, Energie in beide Richtungen umzuwandeln und sicher und zuverlässig zu sein. Reduzierung der Größe und geringere Kosten pro Watt, was bedeutet, dass kleinere und leichtere Geräte bei gleicher Leistung erhältlich sind.
SiC-Materialien sind chemisch stabil und weniger anfällig gegenüber korrosiven Substanzen. Dadurch eignen sich SiC-Geräte besser für Anwendungen in einigen extremen Umgebungen. SiC-Geräte haben hohe Trägerbewegungsgeschwindigkeiten, was ihnen schnellere Schaltgeschwindigkeiten ermöglicht. Dies ist vorteilhaft für die Reduzierung von Schaltverlusten, die Erhöhung der Umwandlungseffizienz und die Verbesserung der Gerätedynamik.
Durch den Einsatz von SiC-Energiespeicherlösungen können eine geringere Produktgröße und ein geringeres Gewicht erreicht werden, eine höhere Schaltfrequenz erreicht werden, und aufgrund der Verwendung kleinerer magnetischer Geräte können kleinere Transformatoren/Induktivitäten verwendet werden, der Verlust ist geringer, die Wärmeableitung ist besser, das Gleiche Die Leistung kann in einem kleineren Gehäuse montiert werden, und im Vergleich zu Silizium-IGBTs hat sich die SiC-Leistungsdichte (W/Kg) verdoppelt, mit einer hohen Leistungsdichte und kann die einfache bidirektionale Wandlertopologie mit weniger Schleifensteuerung und höherer Effizienz nutzen.
SiC-Geräte haben einen geringeren Einschaltwiderstand pro Volumeneinheit, geringe Leitungsverluste, keinen Stromwiderstand beim Ausschalten, geringe Schaltverluste und sehr geringe Erholungsverluste der Body-Diode und können den Stücklisteninhalt (BOM), die Systemrobustheit usw. reduzieren höhere Zuverlässigkeit.
DC-DC-Hochspannungsseite des Designs, zum Beispiel kann in der Busspannung 500 V verwendet werden, 1200 V SiC und IGBT, Antriebsspannung 15 V/-2,5 V, Schaltfrequenz 30 kHz, die andere Seite der Schaltung kann verwendet werden 650 V SiC und IGBT, Antriebsspannung 15 V / -2,5 V, Schaltfrequenz 76 kHz. Hochspannungsseite des Stromkreises, wenn der SiC-Gerätewirkungsgrad Höherer Wirkungsgrad, wenn SiC-Geräte im hochspannungsseitigen Stromkreis verwendet werden, SiC-Leistungsröhren werden mit 15 V betrieben und sind mit IGBT-Leistungsröhrenlösungen kompatibel.
Herausforderungen und Lösungen für bidirektionale DC/DC-Wandler
Bei der Entwicklung eines bidirektionalen DC/DC-Leistungswandlers für ESS gibt es viele Herausforderungen, wie z. B. die Lösung des Problems der Low-Side-MOS-Vds-Belastung im stationären Betrieb und im Leerlaufzustand im Entlademodus, und die Lösung besteht darin, die zu erhöhen Die Induktivität in der Primärwicklung des Transformators wird auf 200 µH erhöht, was die Spannungsbelastung um 25 % reduziert und den Wirkungsgrad um 6 bis 7 % verbessert.
Um das Problem der Vds-Spannungsbelastung im Entlademodus und beim Start zu lösen, besteht die Lösung außerdem in der Verwendung einer PWM+PFM-Hybridsteuerung am Eingangsanschluss, wodurch die Spannungsbelastung um 27 % reduziert wird und Vmax 124 V bei 80 V beträgt. Ebenso muss der Resonanzkondensator im Entlademodus der ungewöhnlich hohen Temperatur (96 °C bei 2100 W) standhalten, und der Kondensator kann auf mkp21224/400 VDC umgestellt werden, was die Spannungsbelastung um 25 % reduziert und den Wirkungsgrad um 6 % verbessert. ~7 %. /400 VDC kann die Temperatur des Resonanzkondensators auf 65 °C bei 3000 W reduziert werden.
Andererseits ändert sich im Entlademodus die Betriebsfrequenz plötzlich auf 180 kHz und die Verstärkungskurve ist nicht stabil. In diesem Fall kann die Verstärkungskurve stabil gehalten werden, indem der SRMOS-Einschaltfrequenzpunkt auf unter 180 kHz eingestellt wird.
SiC-MOSFET-Produkte erfüllen DC-DC-Designanforderungen
Am Beispiel des bidirektionalen hochfrequenzisolierten DC/DC-Referenzdesigns mit 6600 V und 48 V kann sein Ladeteil einen DC-Bus-Ladebereich von 380–480 VDC, einen DC-Bus-Ladestrom ≤ 16 A und eine Ausgangsspannung von 40–60 VDC unterstützen Strom ≦140A, Ausgangsleistung bis zu 6,6 kW, Ladeeffizienz bis zu 95 % bei 420 V, Ladestrom-Welligkeitsfaktor beträgt 1 %. Im Entladeabschnitt beträgt der batterieseitige Spannungsbereich 40–60 VDC, der batterieseitige Strom ≤ 140 A, der DC-Bus-Spannungsbereich beträgt 380–480 VDC, die Ausgangsleistung beträgt bis zu 6,6 kW, die Entladeeffizienz beträgt bis zu 94 % bei 54 V und der Welligkeitskoeffizient der Busspannung beträgt 1 %.
Dieses Referenzdesign arbeitet von 43 V bis 57 V auf der Niederspannungsseite ohne den Buck_Boost-Regler und von 49 V bis 57 V bei voller Leistung mit einem maximalen stabilisierten Ausgangsstrom von 142 A und einem maximalen kurzzeitigen Ausgangsstrom von 150 A (Vin = 420 V, ohmsche Last). Mit dem Buck_Boost-Regler arbeitet die Niederspannungsseite bei 43 V–57 V, der volle Leistungsbetriebsbereich beträgt 49 V–60 V, der maximale stabilisierte Ausgangsstrom beträgt 145 A und der maximale kurzzeitige Ausgangsstrom beträgt 150 A (Vin = 420 V, ohmsche Last). ). Dieses Referenzdesign nutzt acht SiC-MOSFETs im TO-247-Gehäuse SCT3030AR von Rohm sowie den Gate-Treiber BM61S41RFV-C mit RJ1P12BBDTLL-Leistungs-MOSFETs.
Der SCT3030AR von Rohm ist ein SiC-MOSFET, der 650 V Nch in einem 4-Pin-Gehäuse unterstützt, und ein Trench-Gate-SiC-MOSFET, der sich ideal für Server-Stromversorgungen, Solarwechselrichter und Ladestationen für Elektrofahrzeuge eignet, die einen hohen Wirkungsgrad usw. erfordern. Er ist in einer Ausführung erhältlich 4-Pin-Gehäuse, das den Stromversorgungs-Quellen-Pin vom Treiber-Quellen-Pin trennt, was die Hochgeschwindigkeits-Schaltleistung maximiert. Insbesondere verbessert es den Leitungsverlust deutlich und reduziert den Leitungsverlust und den Abschaltverlust um insgesamt etwa 35 % im Vergleich zum vorherigen 3-Pin-Gehäuse (TO-247N).
Der SCT3030AR von Rohm zeichnet sich durch einen niedrigen Einschaltwiderstand, schnelle Schaltgeschwindigkeit, schnelle Rückwärtswiederherstellung, einfache Parallelschaltung und einfache Ansteuerung aus und ist in einem bleifreien, plattierten Gehäuse erhältlich, das RoHS-konform ist und für eine Vielzahl von Anwendungen wie Solarwechselrichter, DC/DC-Wechselrichter usw. geeignet ist. Gleichstromwandler, Schaltnetzteile, Induktionsheizung und Motorantriebe.
BM61S41RFV-C ist ein Gate-Treiber mit einer Isolationsspannung von 3750 Vrms, einer maximalen Gate-Treiberspannung von 24 V, einer maximalen I/O-Verzögerungszeit von 65 ns, einer minimalen Eingangsimpulsbreite von 60 ns, einem Ausgangsstrom von 4 A und einer Unterspannungssperre (UVLO). Funktion und aktive Miller-Klemmfunktion, konform mit dem AEC-Q100-Standard und übernimmt das SSOP-B10W-Paket. Der RJ1P12BBD ist ein Nch-100-V-120-A-Leistungs-MOSFET mit niedrigem Einschaltwiderstand, hoher Leistung in einem kleinen Chip-Gehäuse, bleifreier Beschichtung, RoHS-konform, halogenfrei und UIS-geprüft.
Abschluss
Da grüne Energie für die internationale Gemeinschaft immer wichtiger wird, treibt sie auch die rasante Entwicklung von ESS-Anwendungen für Privathaushalte voran, die eine beträchtliche Anzahl elektronischer Komponenten und Lösungen umfassen und auch eine enorme Marktchance darstellen.
