Soluzioni di accumulo energetico per un'energia residenziale efficiente
05 Jul 2024
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Le soluzioni di accumulo dell'energia a batteria (ESS) non vengono utilizzate solo nelle applicazioni industriali e di produzione di energia, ma anche nella parte residenziale della famiglia, che è diventata la chiave per l'attuale applicazione e lo sviluppo del mercato. Le soluzioni ESS residenziali richiedono meno energia, ma hanno comunque gli stessi requisiti di efficienza di conversione e sicurezza delle applicazioni industriali. In questo articolo vi presenteremo l'andamento del mercato delle soluzioni ESS residenziali e introdurremo le caratteristiche funzionali delle soluzioni relative al SiC.
ESS residenziale per l'accumulo e la gestione dell'energia
L'ESS residenziale è una soluzione di accumulo di energia utilizzata nelle case per immagazzinare e gestire l'energia elettrica per migliorare l'efficienza energetica, ridurre i costi energetici e aumentare la stabilità dell'approvvigionamento energetico. Le applicazioni ESS residenziali includono tipicamente sistemi di generazione di energia solare (sistemi fotovoltaici (PV)), in cui i pannelli solari fotovoltaici sono generalmente montati sul tetto o in un'altra posizione appropriata per convertire la luce solare in energia elettrica a corrente continua (CC).
Un ESS richiede inoltre un regolatore di carica responsabile del monitoraggio della produzione del sistema di energia solare e del controllo del flusso di elettricità al sistema di accumulo dell’energia, che garantisce che l’elettricità generata dal sole venga immagazzinata in una batteria. Le batterie sono il componente principale dell’ESS e vengono utilizzate per immagazzinare l’elettricità generata dal sole durante il giorno per fornire energia di notte o nelle giornate nuvolose. Le tecnologie comuni delle batterie oggi disponibili includono batterie agli ioni di litio (Li-ion) e al piombo.
L'ESS richiede inoltre un inverter per convertire l'energia CC immagazzinata nelle batterie in alimentazione CA per alimentare elettrodomestici e illuminazione domestica e un sistema di gestione dell'energia (EMS) per monitorare il consumo energetico della casa, le previsioni meteorologiche e i prezzi dell'elettricità per ottimizzare utilizzo e stoccaggio dell’energia. Può controllare automaticamente il processo di carica e scarica per garantire un'efficienza energetica ottimale.
L'ESS residenziale può anche essere collegato alla rete, consentendo alle famiglie di acquistare elettricità quando necessario o di vendere l'energia in eccesso alla rete quando c'è energia sufficiente: questa capacità di far fluire l'energia in entrambe le direzioni è nota come "misurazione bidirezionale". Attraverso il sistema di monitoraggio, i cittadini possono monitorare lo stato operativo del sistema energetico, la produzione e il consumo di energia in tempo reale e apportare modifiche operative attraverso il sistema di controllo remoto, come modificare la modalità operativa del sistema di accumulo dell'energia o impostare la ricarica e tempi di scarico.
L'architettura di un ESS residenziale può essere adattata a esigenze e tecnologie specifiche per garantire prestazioni ed efficienza ottimali. Tali sistemi aiutano a raggiungere l’autosufficienza energetica, a risparmiare energia, a ridurre le emissioni e a fornire energia di riserva in caso di interruzione della rete.
Le applicazioni ESS residenziali differiscono dalle applicazioni industriali in termini di requisiti, con le differenze principali che gli ESS residenziali richiedono una potenza inferiore, in genere inferiore a 10 kW, devono supportare la conversione di potenza bidirezionale, utilizzano principalmente topologie CA/CC ad alta efficienza con elevate caratteristiche EMC, così come topologie DC/DC ad alta efficienza con elevate specifiche di sicurezza e devono supportare un'ampia gamma di tensioni bus da 360 V a 550 V. Le batterie sono solitamente posizionate sul lato DC, richiedendo un'efficienza del sistema superiore al 90% e una stabilità affidabile del sistema, il perseguimento di un'elevata densità di potenza, per raggiungere l'obiettivo di dimensioni ridotte e peso leggero, e la necessità di ridurre i costi del sistema, nonché i requisiti di sicurezza, EMC, rumore e altre caratteristiche dei requisiti più elevati.
Il SiC supera i dispositivi in silicio
Per soddisfare i requisiti di cui sopra, per la conversione di potenza è spesso necessario il carburo di silicio (SiC), grazie ad alcuni vantaggi significativi dei dispositivi SiC, che possono migliorare l'efficienza del sistema a correnti e temperature elevate, e all'elevata tenacità del campo elettrico dei materiali SiC consente ai dispositivi SiC di funzionare a tensioni più elevate, con tensioni di tenuta più elevate rispetto ai dispositivi al silicio, il che rende i dispositivi SiC particolarmente utili nelle applicazioni di conversione di potenza.
Ciò rende i dispositivi SiC particolarmente utili nelle applicazioni di conversione di potenza.
Inoltre, i dispositivi SiC hanno un tasso di migrazione degli elettroni più elevato, che li rende superiori nelle applicazioni ad alta frequenza. Per applicazioni quali convertitori ad alta frequenza e amplificatori di potenza, i dispositivi SiC offrono prestazioni migliorate. la conduttività termica del SiC è tre volte quella del silicio e consente dimensioni e peso inferiori per aumentare la densità di potenza, ottimizzare i costi del sistema, ridurre il costo per unità di volume, convertire l'energia in entrambe le direzioni ed essere sicuro e affidabile, raggiungendo un 50% riduzione delle dimensioni e minor costo per watt, il che significa dispositivi più piccoli e leggeri allo stesso livello di potenza.
I materiali SiC sono chimicamente stabili e meno sensibili alle sostanze corrosive. Ciò rende i dispositivi SiC più adatti per applicazioni in alcuni ambienti estremi. I dispositivi SiC hanno velocità di movimento del portante elevate, che conferisce loro velocità di commutazione più elevate. Ciò è utile per ridurre le perdite di commutazione, aumentare l'efficienza di conversione e migliorare la dinamica del dispositivo.
L'uso di soluzioni di accumulo di energia SiC può avere dimensioni e peso del prodotto inferiori, può raggiungere una frequenza di commutazione più elevata e, grazie all'uso di dispositivi magnetici più piccoli, può utilizzare trasformatori/induttori più piccoli, la sua perdita è inferiore, una migliore dissipazione del calore, lo stesso la potenza può essere montata in un involucro più piccolo e, rispetto agli IGBT in silicio, la densità di potenza SiC (W / Kg) è raddoppiata, con un'elevata densità di potenza, e può utilizzare la topologia del convertitore bidirezionale semplice con meno controllo del loop e maggiore efficienza.
I dispositivi SiC hanno una resistenza in conduzione inferiore per unità di volume, basse perdite di conduzione, nessun trascinamento di corrente durante lo spegnimento, basse perdite di commutazione e perdite di recupero del diodo body molto basse e possono ridurre il contenuto della distinta base (BOM), la robustezza del sistema e maggiore affidabilità.
Lato ad alta tensione DC-DC del progetto, ad esempio, nella tensione del bus 500 V è possibile utilizzare 1200 V SiC e IGBT, tensione di comando 15 V / -2,5 V, frequenza di commutazione di 30 kHz, l'altro lato del circuito può essere utilizzato in 650 V SiC e IGBT, tensione di pilotaggio 15 V/-2,5 V, frequenza di commutazione di 76 kHz. lato alta tensione del circuito quando l'efficienza del dispositivo SiC Maggiore efficienza quando i dispositivi SiC vengono utilizzati nel circuito lato alta tensione, i tubi di potenza SiC sono pilotati da 15 V e sono compatibili con le soluzioni di tubi di potenza IGBT.
Sfide e soluzioni per convertitori DC/DC bidirezionali
Ci sono molte sfide nella progettazione di un convertitore di potenza DC/DC bidirezionale per ESS, come risolvere il problema dello stress Vds MOS low-side nel funzionamento a regime stazionario e in condizioni di assenza di carico in modalità di scarica, e la soluzione è aumentare la induttanza nel primario del trasformatore a 200μH, che riduce lo stress di tensione del 25% e migliora l'efficienza del 6%~7%.
Inoltre, per risolvere il problema dello stress di tensione Vds in modalità di scarica e avvio, la soluzione è utilizzare il controllo ibrido PWM+PFM sulla porta di ingresso, che ridurrà lo stress di tensione del 27% e Vmax è 124 V a 80 V. Allo stesso modo, in modalità di scarica, il condensatore risonante deve affrontare una temperatura anormalmente elevata (96 ℃ a 2100 W) e il condensatore può essere sostituito con mkp21224/400 V CC, che ridurrà lo stress di tensione del 25% e migliorerà l'efficienza del 6% ~7%. /400 V CC, la temperatura del condensatore risonante può essere ridotta a 65 ℃ a 3000 W.
D'altra parte, nella modalità di scarica, la frequenza operativa cambierà improvvisamente a 180 kHz e la curva di guadagno non è stabile. In questo caso, la curva di guadagno può essere mantenuta stabile sintonizzando il punto di frequenza fissa del tempo di attivazione SRMOS al di sotto di 180 kHz.
I prodotti MOSFET SiC soddisfano le esigenze di progettazione DC-DC
Prendendo come esempio il progetto di riferimento CC-CC isolato ad alta frequenza bidirezionale da 6600 V 48 V, la sua parte di ricarica può supportare un intervallo di ricarica del bus CC di 380-480 V CC, corrente di carica del bus CC ≦16 A, tensione di uscita di 40-60 V CC, uscita corrente ≦140 A, potenza di uscita fino a 6,6 kW, efficienza di carica fino al 95% a 420 V, fattore di ondulazione della corrente di carica dell'1%. Nella sezione di scarica, l'intervallo di tensione lato batteria è 40-60 V CC, la corrente lato batteria ≦140 A, l'intervallo di tensione del bus CC è 380-480 V CC, la potenza di uscita è fino a 6,6 kW, l'efficienza di scarica è fino a 94 % a 54 V e il coefficiente di ondulazione della tensione del bus è dell'1%.
Questo progetto di riferimento funziona da 43 V-57 V sul lato bassa tensione senza il regolatore Buck_Boost e da 49 V-57 V a piena potenza, con una corrente di uscita stabilizzata massima di 142 A e una corrente di uscita massima di breve durata di 150 A (Vin = 420 V, carico resistivo). Con il regolatore Buck_Boost, il lato a bassa tensione funziona da 43 V-57 V, l'intervallo operativo a piena potenza è 49 V-60 V, la corrente di uscita stabilizzata massima è 145 A e la corrente di uscita massima di breve durata è 150 A (Vin = 420 V, carico resistivo ). Questo progetto di riferimento utilizza otto MOSFET SiC in package SCT3030AR TO-247 di Rohm, nonché il gate driver BM61S41RFV-C con MOSFET di potenza RJ1P12BBDTLL.
SCT3030AR di Rohm è un MOSFET SiC che supporta 650 V Nch in un package a 4 pin ed è un MOSFET SiC trench gate ideale per alimentatori di server, inverter solari e stazioni di ricarica per veicoli elettrici che richiedono elevate efficienze, ecc. È disponibile in una versione Pacchetto a 4 pin che separa il pin della sorgente di alimentazione dal pin della sorgente del driver, massimizzando le prestazioni di commutazione ad alta velocità. In particolare, migliora significativamente la perdita di conduzione, riducendo la perdita di conduzione e la perdita di spegnimento per un totale combinato di circa il 35% rispetto al precedente pacchetto a 3 pin (TO-247N).
SCT3030AR di Rohm è caratterizzato da bassa resistenza nello stato di conduzione, velocità di commutazione rapida, ripristino rapido all'inversione, facile collegamento in parallelo e guida semplice ed è disponibile in un contenitore placcato senza piombo conforme alla direttiva RoHS per un'ampia gamma di applicazioni come inverter solari, DC/ Convertitori CC, alimentatori a commutazione, riscaldamento a induzione e azionamenti di motori.
BM61S41RFV-C è un gate driver con tensione di isolamento di 3750 Vrms, tensione massima di pilotaggio del gate di 24 V, tempo di ritardo I/O massimo di 65 ns, larghezza minima dell'impulso di ingresso di 60 ns, corrente di uscita di 4 A, blocco di sottotensione (UVLO) funzione e funzione di pinza Miller attiva, conforme allo standard AEC-Q100 e adotta il pacchetto SSOP-B10W. RJ1P12BBD è un MOSFET di potenza Nch 100 V 120 A con bassa resistenza nello stato di conduzione, elevata potenza in un piccolo contenitore, placcatura senza piombo, conforme RoHS, privo di alogeni e testato UIS.
Conclusione
Poiché l’energia verde diventa sempre più importante per la comunità internazionale, sta anche guidando il rapido sviluppo delle applicazioni ESS residenziali, che coinvolgono un numero considerevole di componenti e soluzioni elettroniche e rappresentano anche un’enorme opportunità di mercato.
