Soluciones de almacenamiento de energía para energía residencial eficiente
05 Jul 2024
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Las soluciones de almacenamiento de energía en baterías (ESS) no solo se utilizan en aplicaciones industriales y de generación de energía, sino también en la parte residencial de la familia, lo que se ha convertido en la clave para la aplicación actual y el desarrollo del mercado. Las soluciones ESS residenciales requieren menos energía, pero aún tienen la misma eficiencia de conversión y requisitos de seguridad que las aplicaciones industriales. En este artículo, le presentaremos la tendencia del mercado de las soluciones ESS residenciales y le presentaremos las características funcionales de las soluciones relacionadas con SiC.
ESS residencial para almacenamiento y gestión de energía
ESS residencial es una solución de almacenamiento de energía que se utiliza en los hogares para almacenar y gestionar energía eléctrica para mejorar la eficiencia energética, reducir los costos de energía y aumentar la estabilidad del suministro de energía. Las aplicaciones residenciales de ESS generalmente incluyen sistemas de generación de energía solar (sistemas fotovoltaicos (PV)), donde los paneles solares fotovoltaicos generalmente se montan en el techo u otra ubicación apropiada para convertir la luz solar en energía eléctrica de corriente continua (DC).
Un ESS también requiere un controlador de carga que sea responsable de monitorear la salida del sistema de energía solar y controlar el flujo de electricidad al sistema de almacenamiento de energía, lo que garantiza que la electricidad generada por el sol se almacene en una batería. Las baterías son el componente central del ESS y se utilizan para almacenar la electricidad generada por energía solar durante el día para suministrar energía durante la noche o en días nublados. Las tecnologías de baterías comunes disponibles en la actualidad incluyen baterías de iones de litio (Li-ion) y de plomo-ácido.
El ESS también requiere un inversor para convertir la energía de CC almacenada en las baterías en energía de CA para suministrar electrodomésticos e iluminación en el hogar, y un sistema de gestión de energía (EMS) para monitorear el uso de energía del hogar, las previsiones meteorológicas y los precios de la electricidad para optimizar. uso y almacenamiento de energía. Puede controlar automáticamente el proceso de carga y descarga para garantizar una eficiencia energética óptima.
El ESS residencial también se puede conectar a la red, lo que permite a los hogares comprar electricidad cuando la necesitan o vender el exceso de energía a la red cuando hay suficiente energía; esta capacidad de hacer fluir energía en ambas direcciones se conoce como "medición bidireccional". A través del sistema de monitoreo, los propietarios de viviendas pueden monitorear el estado operativo del sistema energético, la generación y el consumo de energía en tiempo real, y realizar ajustes operativos a través del sistema de control remoto, como cambiar el modo operativo del sistema de almacenamiento de energía o configurar la carga y tiempos de descarga.
La arquitectura de un ESS residencial se puede adaptar a necesidades y tecnologías específicas para garantizar un rendimiento y una eficiencia óptimos. Estos sistemas ayudan a lograr la autosuficiencia energética, ahorrar energía y reducir las emisiones, y proporcionar energía de respaldo en caso de un corte de red.
Las aplicaciones de ESS residenciales difieren de las aplicaciones industriales en términos de requisitos, siendo la principal diferencia que los ESS residenciales requieren menor potencia, generalmente menos de 10 kW, deben admitir la conversión de energía bidireccional y, en su mayoría, utilizan topologías de CA/CC de alta eficiencia con altas características de EMC. así como topologías CC/CC de alta eficiencia con altas especificaciones de seguridad, y deben admitir una amplia gama de voltajes de bus de 360 V a 550 V. Las baterías generalmente se colocan en el lado de CC, lo que requiere una eficiencia del sistema de más del 90 % y una estabilidad confiable del sistema. la búsqueda de una alta densidad de potencia, para lograr el objetivo de tamaño pequeño y peso ligero, y la necesidad de reducir el costo del sistema, y los requisitos de seguridad, EMC, ruido y otras características de los requisitos más altos.
El SiC supera a los dispositivos de silicio
Para cumplir con los requisitos anteriores, a menudo se requiere carburo de silicio (SiC) para la conversión de energía, debido a algunas ventajas significativas de los dispositivos de SiC, que pueden mejorar la eficiencia del sistema a altas corrientes y altas temperaturas, y a la alta tenacidad del campo eléctrico de los materiales de SiC. permite que los dispositivos de SiC funcionen a voltajes más altos, con voltajes soportados más altos en comparación con los dispositivos de silicio, lo que hace que los dispositivos de SiC sean particularmente útiles en aplicaciones de conversión de energía.
Esto hace que los dispositivos de SiC sean particularmente útiles en aplicaciones de conversión de energía.
Además, los dispositivos de SiC tienen una tasa de migración de electrones más alta, lo que los hace superiores en aplicaciones de alta frecuencia. Para aplicaciones como convertidores de alta frecuencia y amplificadores de potencia, los dispositivos de SiC ofrecen un rendimiento mejorado. La conductividad térmica del SiC es tres veces mayor que la del silicio y permite un tamaño y peso más pequeños para aumentar la densidad de potencia, optimizar el costo del sistema, reducir el costo por unidad de volumen, convertir energía en ambas direcciones y ser seguro y confiable, logrando un 50%. reducción de tamaño y menor coste por vatio, lo que significa que dispositivos más pequeños y ligeros con el mismo nivel de potencia.
Los materiales de SiC son químicamente estables y menos susceptibles a sustancias corrosivas. Esto hace que los dispositivos de SiC sean más adecuados para aplicaciones en algunos entornos extremos. Los dispositivos de SiC tienen altas velocidades de movimiento de la portadora, lo que les proporciona velocidades de conmutación más rápidas. Esto es beneficioso para reducir las pérdidas de conmutación, aumentar la eficiencia de conversión y mejorar la dinámica del dispositivo.
El uso de soluciones de almacenamiento de energía de SiC puede tener un tamaño y peso de producto más pequeños, puede lograr una mayor frecuencia de conmutación y, debido al uso de dispositivos magnéticos más pequeños, puede usar transformadores/inductores más pequeños, su pérdida es menor, mejor disipación de calor, lo mismo. La potencia se puede montar en una carcasa más pequeña y, en comparación con los IGBT de silicio, la densidad de potencia de SiC (W/Kg) se duplica, con una alta densidad de potencia, y puede utilizar la topología de convertidor bidireccional simple con menos control de bucle y mayor eficiencia.
Los dispositivos de SiC tienen una menor resistencia de encendido por unidad de volumen, bajas pérdidas de conducción, sin arrastre de corriente durante el apagado, bajas pérdidas de conmutación y pérdidas de recuperación de diodos del cuerpo muy bajas, y pueden reducir el contenido de la lista de materiales (BOM), la robustez del sistema y mayor confiabilidad.
El lado de alto voltaje DC-DC del diseño, por ejemplo, en el bus se puede usar un voltaje de 500 V, 1200 V SiC e IGBT, un voltaje de accionamiento de 15 V / -2,5 V, una frecuencia de conmutación de 30 kHz, el otro lado del circuito se puede usar en 650 V SiC e IGBT, voltaje de accionamiento 15 V/-2,5 V, frecuencia de conmutación de 76 kHz. lado de alto voltaje del circuito cuando la eficiencia del dispositivo de SiC Mayor eficiencia cuando se utilizan dispositivos de SiC en el circuito del lado de alto voltaje, los tubos de alimentación de SiC funcionan con 15 V y son compatibles con soluciones de tubos de alimentación IGBT.
Desafíos y soluciones para convertidores CC/CC bidireccionales
Hay muchos desafíos en el diseño de un convertidor de potencia CC/CC bidireccional para ESS, como resolver el problema de la tensión de MOS Vds del lado bajo en operación de estado estable y condición sin carga en modo de descarga, y la solución es aumentar la inductancia en el primario del transformador a 200 µH, lo que reduce el estrés de voltaje en un 25% y mejora la eficiencia en un 6% ~ 7%.
Además, para resolver el problema del estrés de voltaje Vds en modo de descarga y arranque, la solución es usar control híbrido PWM+PFM en el puerto de entrada, lo que reducirá el estrés de voltaje en un 27%, y el Vmax es 124V a 80V. De manera similar, en el modo de descarga, el capacitor resonante necesita enfrentar una temperatura anormalmente alta (96℃@2100W), y el capacitor se puede cambiar a mkp21224/400VDC, lo que reducirá la tensión de voltaje en un 25% y mejorará la eficiencia en un 6%. ~7%. /400 V CC, la temperatura del condensador resonante se puede reducir a 65 ℃ a 3000 W.
Por otro lado, en el modo de descarga, la frecuencia de funcionamiento cambiará repentinamente a 180 kHz y la curva de ganancia no será estable. En este caso, la curva de ganancia se puede mantener estable sintonizando el punto de frecuencia de tiempo fijo SRMOS por debajo de 180 kHz.
Los productos MOSFET de SiC satisfacen las necesidades de diseño CC-CC
Tomando como ejemplo el diseño de referencia CC-CC aislado de alta frecuencia bidireccional de 6600 V 48 V, su parte de carga puede admitir un rango de carga de bus de CC de 380-480 V CC, corriente de carga de bus de CC ≦ 16 A, voltaje de salida de 40-60 V CC, salida corriente ≦ 140 A, potencia de salida de hasta 6,6 kW, eficiencia de carga de hasta 95 % a 420 V, factor de ondulación de la corriente de carga es del 1 %. En la sección de descarga, el rango de voltaje del lado de la batería es de 40-60 VCC, la corriente del lado de la batería≦140A, el rango de voltaje del bus de CC es de 380-480 VCC, la potencia de salida es de hasta 6,6 kW, la eficiencia de descarga es de hasta 94 % a 54 V y el coeficiente de ondulación del voltaje del bus es del 1 %.
Este diseño de referencia opera desde 43V-57V en el lado de bajo voltaje sin el regulador Buck_Boost, y desde 49V-57V a plena potencia, con una corriente de salida estabilizada máxima de 142A y una corriente de salida máxima de corto tiempo de 150A (Vin = 420V, carga resistiva). Con el regulador Buck_Boost, el lado de bajo voltaje opera de 43 V a 57 V, el rango operativo de potencia total es de 49 V a 60 V, la corriente de salida máxima estabilizada es de 145 A y la corriente de salida máxima de corta duración es de 150 A (Vin = 420 V, carga resistiva ). Este diseño de referencia utiliza ocho MOSFET de SiC empaquetados SCT3030AR TO-247 de Rohm, así como el controlador de compuerta BM61S41RFV-C con MOSFET de potencia RJ1P12BBDTLL.
El SCT3030AR de Rohm es un MOSFET de SiC que admite 650 V Nch en un encapsulado de 4 pines y es un MOSFET de SiC de compuerta de zanja ideal para fuentes de alimentación de servidores, inversores solares y estaciones de carga de vehículos eléctricos que requieren altas eficiencias, etc. Está disponible en un Paquete de 4 pines que separa el pin de fuente de alimentación del pin de fuente del controlador, lo que maximiza el rendimiento de conmutación de alta velocidad. En particular, mejora significativamente la pérdida de conducción, reduciendo la pérdida de conducción y la pérdida de apagado en un total combinado de aproximadamente un 35 % en comparación con el paquete anterior de 3 pines (TO-247N).
El SCT3030AR de Rohm presenta baja resistencia de encendido, velocidad de conmutación rápida, recuperación inversa rápida, fácil conexión en paralelo y conducción sencilla, y está disponible en un paquete chapado sin plomo que cumple con RoHS para una amplia gama de aplicaciones como inversores solares, DC/ Convertidores de CC, fuentes de alimentación conmutadas, calentamiento por inducción y variadores de motor.
BM61S41RFV-C es un controlador de puerta con voltaje de aislamiento de 3750 Vrms, voltaje máximo de accionamiento de puerta de 24 V, tiempo de retardo de E/S máximo de 65 ns, ancho de pulso de entrada mínimo de 60 ns, corriente de salida de 4 A, bloqueo por bajo voltaje (UVLO) Función y función activa de abrazadera Miller, que cumple con el estándar AEC-Q100 y adopta el paquete SSOP-B10W. El RJ1P12BBD es un MOSFET de potencia Nch de 100 V y 120 A con baja resistencia de encendido, alta potencia en un paquete de matriz pequeña, enchapado sin plomo, compatible con RoHS, sin halógenos y probado por UIS.
Conclusión
A medida que la energía verde se vuelve cada vez más importante para la comunidad internacional, también está impulsando el rápido desarrollo de aplicaciones residenciales de ESS, lo que implica una cantidad considerable de componentes y soluciones electrónicos, y también representa una enorme oportunidad de mercado.
