Solutions de stockage d'énergie pour une alimentation résidentielle efficace
05 Jul 2024
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Les solutions de stockage d'énergie par batterie (ESS) ne sont pas seulement utilisées dans les applications industrielles et de production d'électricité, mais également dans la partie résidentielle de la famille, qui est devenue la clé de l'application actuelle et du développement du marché. Les solutions ESS résidentielles nécessitent moins d’énergie, mais ont toujours les mêmes exigences d’efficacité de conversion et de sécurité que les applications industrielles. Dans cet article, nous vous présenterons la tendance du marché des solutions ESS résidentielles et vous présenterons les caractéristiques fonctionnelles des solutions liées au SiC.
ESS résidentiel pour le stockage et la gestion de l’énergie
L'ESS résidentiel est une solution de stockage d'énergie utilisée dans les maisons pour stocker et gérer l'énergie électrique afin d'améliorer l'efficacité énergétique, de réduire les coûts énergétiques et d'augmenter la stabilité de l'approvisionnement énergétique. Les applications résidentielles ESS incluent généralement les systèmes de production d'énergie solaire (systèmes photovoltaïques (PV)), dans lesquels des panneaux solaires photovoltaïques sont généralement montés sur le toit ou à un autre endroit approprié pour convertir la lumière du soleil en énergie électrique à courant continu (CC).
Un ESS nécessite également un contrôleur de charge chargé de surveiller la production du système d'énergie solaire et de contrôler le flux d'électricité vers le système de stockage d'énergie, ce qui garantit que l'électricité produite par l'énergie solaire est stockée dans une batterie. Les batteries sont le composant principal du SSE et sont utilisées pour stocker l’électricité produite par l’énergie solaire pendant la journée afin de fournir de l’énergie la nuit ou par temps nuageux. Les technologies de batteries courantes disponibles aujourd’hui comprennent les batteries lithium-ion (Li-ion) et plomb-acide.
L'ESS nécessite également un onduleur pour convertir l'énergie CC stockée dans les batteries en alimentation CA pour alimenter les appareils et l'éclairage de la maison, ainsi qu'un système de gestion de l'énergie (EMS) pour surveiller la consommation d'énergie de la maison, les prévisions météorologiques et les prix de l'électricité afin d'optimiser consommation et stockage de l’énergie. Il peut contrôler automatiquement le processus de charge et de décharge pour garantir une efficacité énergétique optimale.
Le SSE résidentiel peut également être connecté au réseau, permettant aux ménages d'acheter de l'électricité en cas de besoin ou de vendre l'énergie excédentaire au réseau lorsqu'il y a suffisamment d'énergie. Cette capacité à faire circuler l'énergie dans les deux sens est connue sous le nom de « comptage bidirectionnel ». Grâce au système de surveillance, les propriétaires peuvent surveiller l'état opérationnel du système énergétique, la production et la consommation d'énergie en temps réel, et effectuer des ajustements opérationnels via le système de télécommande, comme changer le mode de fonctionnement du système de stockage d'énergie ou régler la charge et temps de décharge.
L’architecture d’un ESS résidentiel peut être adaptée à des besoins et technologies spécifiques pour garantir des performances et une efficacité optimales. De tels systèmes contribuent à atteindre l’autosuffisance énergétique, à économiser de l’énergie et à réduire les émissions, et à fournir une alimentation de secours en cas de panne du réseau.
Les applications ESS résidentielles diffèrent des applications industrielles en termes d'exigences, les principales différences étant que les ESS résidentiels nécessitent une puissance inférieure, généralement inférieure à 10 kW, doivent prendre en charge la conversion de puissance bidirectionnelle et utilisent principalement des topologies AC/DC à haut rendement avec des caractéristiques CEM élevées. ainsi que des topologies DC/DC à haut rendement avec des spécifications de sécurité élevées, et doivent prendre en charge une large gamme de tensions de bus de 360 V à 550 V. Les batteries sont généralement placées du côté DC, ce qui nécessite une efficacité du système de plus de 90 % et une stabilité fiable du système. la poursuite d'une densité de puissance élevée, pour atteindre l'objectif de petite taille et de poids léger, et la nécessité de réduire le coût du système, ainsi que les exigences de sécurité, d'EMC, de bruit et d'autres caractéristiques des exigences plus élevées.
Le SiC surpasse les dispositifs en silicium
Afin de répondre aux exigences ci-dessus, le carbure de silicium (SiC) est souvent requis pour la conversion de puissance, en raison de certains avantages significatifs des dispositifs SiC, qui peuvent améliorer l'efficacité du système à des courants et des températures élevés, et de la ténacité élevée des matériaux SiC aux champs électriques. permet aux dispositifs SiC de fonctionner à des tensions plus élevées, avec des tensions de tenue plus élevées que celles des dispositifs au silicium, ce qui rend les dispositifs SiC particulièrement utiles dans les applications de conversion de puissance.
Cela rend les dispositifs SiC particulièrement utiles dans les applications de conversion de puissance.
De plus, les dispositifs SiC ont un taux de migration électronique plus élevé, ce qui les rend supérieurs dans les applications haute fréquence. Pour les applications telles que les convertisseurs haute fréquence et les amplificateurs de puissance, les dispositifs SiC offrent des performances améliorées. la conductivité thermique du SiC est trois fois supérieure à celle du silicium et permet une taille et un poids plus petits pour augmenter la densité de puissance, optimiser le coût du système, réduire le coût par unité de volume, convertir l'énergie dans les deux sens et être sûr et fiable, atteignant un 50 % réduction de la taille et coût par watt inférieur, ce qui signifie que des appareils plus petits et plus légers au même niveau de puissance.
Les matériaux SiC sont chimiquement stables et moins sensibles aux substances corrosives. Cela rend les dispositifs SiC plus adaptés aux applications dans certains environnements extrêmes. Les dispositifs SiC ont des vitesses de déplacement de porteur élevées, ce qui leur confère des vitesses de commutation plus rapides. Ceci est bénéfique pour réduire les pertes de commutation, augmenter l’efficacité de la conversion et améliorer la dynamique du dispositif.
L'utilisation de solutions de stockage d'énergie SiC peut avoir une taille et un poids de produit plus petits, peut atteindre une fréquence de commutation plus élevée et, en raison de l'utilisation de dispositifs magnétiques plus petits, peut utiliser des transformateurs/inducteurs plus petits, sa perte est plus petite, une meilleure dissipation thermique, la même chose. la puissance peut être montée dans un boîtier plus petit et, comparée aux IGBT au silicium, la densité de puissance SiC (W/Kg) est doublée, avec une densité de puissance élevée, et peut utiliser la topologie de convertisseur bidirectionnel simple avec moins de contrôle de boucle et un rendement plus élevé.
Les dispositifs SiC ont une résistance à l'état passant par unité de volume plus faible, de faibles pertes de conduction, aucune traînée de courant lors de la mise hors tension, de faibles pertes de commutation et de très faibles pertes de récupération de diode corporelle, et peuvent réduire le contenu de la nomenclature (BOM), la robustesse du système et une plus grande fiabilité.
Le côté haute tension DC-DC de la conception, par exemple, dans la tension du bus 500 V peut être utilisé 1200 V SiC et IGBT, tension d'entraînement 15 V/-2,5 V, fréquence de commutation de 30 kHz, l'autre côté du circuit peut être utilisé dans 650 V SiC et IGBT, tension de commande 15 V/-2,5 V, fréquence de commutation de 76 kHz. Côté haute tension du circuit lorsque l'efficacité du dispositif SiC Efficacité plus élevée lorsque des dispositifs SiC sont utilisés dans le circuit côté haute tension, les tubes de puissance SiC sont pilotés par 15 V et sont compatibles avec les solutions de tubes de puissance IGBT.
Défis et solutions pour les convertisseurs DC/DC bidirectionnels
Il existe de nombreux défis dans la conception d'un convertisseur de puissance DC/DC bidirectionnel pour ESS, tels que la résolution du problème de contrainte MOS Vds côté bas en fonctionnement stable et à vide en mode décharge, et la solution consiste à augmenter la inductance dans le primaire du transformateur à 200µH, ce qui réduit la contrainte de tension de 25 % et améliore l'efficacité de 6 % à 7 %.
De plus, pour résoudre le problème de contrainte de tension Vds en mode décharge et démarrage, la solution consiste à utiliser un contrôle hybride PWM+PFM au niveau du port d'entrée, ce qui réduira la contrainte de tension de 27 %, et le Vmax est de 124 V à 80 V. De même, en mode décharge, le condensateur résonant doit faire face à une température anormalement élevée (96℃@2100W), et le condensateur peut être remplacé par mkp21224/400VDC, ce qui réduira la contrainte de tension de 25 % et améliorera l'efficacité de 6 %. ~7%. /400VDC, la température du condensateur résonant peut être réduite à 65℃@3000W.
En revanche, en mode décharge, la fréquence de fonctionnement passera brusquement à 180 kHz, et la courbe de gain n'est pas stable. Dans ce cas, la courbe de gain peut être maintenue stable en réglant le point de fréquence fixe SRMOS en dessous de 180 kHz.
Les produits SiC MOSFET répondent aux besoins de conception DC-DC
En prenant comme exemple la conception de référence DC-DC isolée haute fréquence bidirectionnelle 6600 V 48 V, sa partie de charge peut prendre en charge une plage de charge de bus CC de 380 à 480 V CC, courant de charge du bus CC ≦ 16 A, tension de sortie de 40 à 60 V CC, sortie courant ≦ 140 A, puissance de sortie jusqu'à 6,6 kW, efficacité de charge jusqu'à 95 % à 420 V, facteur d'ondulation du courant de charge est de 1 %. Dans la section de décharge, la plage de tension côté batterie est de 40 à 60 V CC, le courant côté batterie ≦ 140 A, la plage de tension du bus CC est de 380 à 480 V CC, la puissance de sortie peut atteindre 6,6 kW, l'efficacité de décharge peut atteindre 94. % à 54 V, et le coefficient d'ondulation de la tension du bus est de 1 %.
Cette conception de référence fonctionne de 43 V à 57 V côté basse tension sans le régulateur Buck_Boost, et de 49 V à 57 V à pleine puissance, avec un courant de sortie stabilisé maximum de 142 A et un courant de sortie maximum de courte durée de 150 A (Vin = 420 V, charge résistive). Avec le régulateur Buck_Boost, le côté basse tension fonctionne de 43 V à 57 V, la plage de fonctionnement à pleine puissance est de 49 V à 60 V, le courant de sortie stabilisé maximum est de 145 A et le courant de sortie maximum de courte durée est de 150 A (Vin = 420 V, charge résistive ). Cette conception de référence utilise huit MOSFET SiC en boîtier SCT3030AR TO-247 de Rohm, ainsi que le pilote de grille BM61S41RFV-C avec des MOSFET de puissance RJ1P12BBDTLL.
Le SCT3030AR de Rohm est un MOSFET SiC prenant en charge 650 V Nch dans un boîtier à 4 broches. Il s'agit d'un MOSFET SiC à grille de tranchée, idéal pour les alimentations de serveur, les onduleurs solaires et les stations de recharge de véhicules électriques qui nécessitent des rendements élevés, etc. Boîtier à 4 broches qui sépare la broche de la source d'alimentation de la broche de la source du pilote, ce qui maximise les performances de commutation à grande vitesse. En particulier, il améliore considérablement la perte de conduction, réduisant la perte de conduction et la perte de désactivation d'un total combiné d'environ 35 % par rapport au précédent boîtier à 3 broches (TO-247N).
Le SCT3030AR de Rohm présente une faible résistance à l'état passant, une vitesse de commutation rapide, une récupération inverse rapide, une mise en parallèle facile et un pilotage simple. Il est disponible dans un boîtier plaqué sans plomb conforme RoHS pour une large gamme d'applications telles que les onduleurs solaires, les systèmes DC/DC. Convertisseurs CC, alimentations à découpage, chauffage par induction et entraînements de moteur.
BM61S41RFV-C est un pilote de grille avec une tension d'isolement de 3 750 Vrms, une tension de commande de grille maximale de 24 V, un temps de retard d'E/S maximal de 65 ns, une largeur d'impulsion d'entrée minimale de 60 ns, un courant de sortie de 4 A, un verrouillage en cas de sous-tension (UVLO). Fonction et fonction de pince Miller active, conforme à la norme AEC-Q100, et adopte le package SSOP-B10W. Le RJ1P12BBD est un MOSFET de puissance Nch 100 V 120 A avec une faible résistance à l'état passant, une puissance élevée dans un petit boîtier de puce, un placage sans plomb, conforme RoHS, sans halogène et testé UIS.
Conclusion
Alors que l’énergie verte devient de plus en plus importante pour la communauté internationale, elle stimule également le développement rapide des applications résidentielles ESS, qui impliquent un nombre considérable de composants et de solutions électroniques, et représentent également une énorme opportunité de marché.
