Energieopslagoplossingen voor efficiënte energie in woningen
05 Jul 2024
0 Opmerkingen
Battery Energy Storage (ESS)-oplossingen worden niet alleen gebruikt in industriële toepassingen en toepassingen voor energieopwekking, maar ook in het residentiële deel van het gezin, wat de sleutel is geworden tot de huidige toepassing en marktontwikkeling. Residentiële ESS-oplossingen vereisen minder stroom, maar hebben nog steeds dezelfde conversie-efficiëntie en veiligheidseisen als industriële toepassingen. In dit artikel laten we u kennismaken met de markttrend van residentiële ESS-oplossingen en introduceren we de functionele kenmerken van SiC-gerelateerde oplossingen.
Residentiële ESS voor het opslaan en beheren van energie
Residential ESS is een oplossing voor energieopslag die in woningen wordt gebruikt om elektrische energie op te slaan en te beheren om de energie-efficiëntie te verbeteren, de energiekosten te verlagen en de stabiliteit van de energievoorziening te vergroten. Residentiële ESS-toepassingen omvatten doorgaans systemen voor de opwekking van zonne-energie (fotovoltaïsche (PV) systemen), waarbij zonnepanelen doorgaans op het dak of op een andere geschikte locatie worden gemonteerd om zonlicht om te zetten in elektrische gelijkstroom (DC).
Een ESS vereist ook een laadregelaar die verantwoordelijk is voor het monitoren van de opbrengst van het zonne-energiesysteem en het regelen van de elektriciteitsstroom naar het energieopslagsysteem, dat ervoor zorgt dat de door zonne-energie opgewekte elektriciteit wordt opgeslagen in een batterij. Batterijen vormen het kernonderdeel van de ESS en worden gebruikt om de door zonne-energie opgewekte elektriciteit overdag op te slaan om 's nachts of op bewolkte dagen energie te leveren. Veelgebruikte batterijtechnologieën die tegenwoordig beschikbaar zijn, zijn onder meer lithium-ion (Li-ion) en loodzuurbatterijen.
De ESS heeft ook een omvormer nodig om de gelijkstroom die in de batterijen is opgeslagen om te zetten in wisselstroom om apparaten en verlichting in huis te leveren, en een energiebeheersysteem (EMS) om het energieverbruik, de weersvoorspellingen en de elektriciteitsprijzen van het huis te monitoren om de prestaties te optimaliseren. energieverbruik en -opslag. Het kan het laad- en ontlaadproces automatisch regelen om een optimale energie-efficiëntie te garanderen.
De residentiële ESS kan ook op het elektriciteitsnet worden aangesloten, waardoor huishoudens elektriciteit kunnen kopen wanneer dat nodig is of overtollige energie aan het elektriciteitsnet kunnen verkopen wanneer er voldoende energie is. Dit vermogen om energie in beide richtingen te laten stromen staat bekend als 'tweerichtingsmeting'. Via het monitoringsysteem kunnen huisbewoners de operationele status van het energiesysteem, de energieopwekking en het energieverbruik in realtime monitoren, en operationele aanpassingen maken via het afstandsbedieningssysteem, zoals het wijzigen van de bedrijfsmodus van het energieopslagsysteem of het instellen van de laad- en ontlaadtijden.
De architectuur van een residentiële ESS kan worden aangepast aan specifieke behoeften en technologieën om optimale prestaties en efficiëntie te garanderen. Dergelijke systemen helpen bij het bereiken van zelfvoorziening op energiegebied, het besparen van energie en het verminderen van emissies, en het leveren van back-upstroom in het geval van een stroomstoring.
Residentiële ESS-toepassingen verschillen van industriële toepassingen wat betreft vereisten, met als belangrijkste verschillen dat residentiële ESS's een lager vermogen vereisen, doorgaans minder dan 10 kW, bidirectionele stroomconversie moeten ondersteunen en meestal hoogefficiënte AC/DC-topologieën met hoge EMC-kenmerken gebruiken. evenals hoogefficiënte DC/DC-topologieën met hoge veiligheidsspecificaties, en moeten een breed scala aan busspanningen ondersteunen van 360V - 550V. De batterijen worden meestal aan de DC-zijde geplaatst, wat een systeemefficiëntie van meer dan 90% en betrouwbare systeemstabiliteit vereist. het nastreven van een hoge vermogensdichtheid, om het doel van klein formaat en lichtgewicht te bereiken, en de noodzaak om de systeemkosten te verlagen, en de eisen van veiligheid, EMC, geluid en andere kenmerken van de hogere eisen.
SiC presteert beter dan siliciumapparaten
Om aan de bovenstaande eisen te voldoen, is siliciumcarbide (SiC) vaak vereist voor stroomconversie, vanwege enkele belangrijke voordelen van SiC-apparaten, die de systeemefficiëntie bij hoge stromen en hoge temperaturen kunnen verbeteren, en de hoge elektrische veldsterkte van SiC-materialen zorgt ervoor dat SiC-apparaten op hogere spanningen kunnen werken, met hogere weerstandsspanningen in vergelijking met siliciumapparaten, wat SiC-apparaten bijzonder nuttig maakt bij toepassingen voor stroomconversie.
Dit maakt SiC-apparaten bijzonder nuttig bij toepassingen voor stroomconversie.
Bovendien hebben SiC-apparaten een hogere elektronenmigratiesnelheid, waardoor ze superieur zijn in hoogfrequente toepassingen. Voor toepassingen zoals hoogfrequente omzetters en eindversterkers bieden SiC-apparaten verbeterde prestaties. de thermische geleidbaarheid van SiC is drie keer die van silicium en maakt een kleiner formaat en gewicht mogelijk om de vermogensdichtheid te verhogen, de systeemkosten te optimaliseren, de kosten per volume-eenheid te verlagen, energie in beide richtingen om te zetten en veilig en betrouwbaar te zijn, waarbij een 50% wordt bereikt kleinere afmetingen en lagere kosten per watt, wat betekent dat kleinere en lichtere apparaten hetzelfde vermogensniveau hebben.
SiC-materialen zijn chemisch stabiel en minder gevoelig voor corrosieve stoffen. Dit maakt SiC-apparaten geschikter voor toepassingen in sommige extreme omgevingen. SiC-apparaten hebben hoge bewegingssnelheden van de drager, waardoor ze sneller kunnen schakelen. Dit is gunstig voor het verminderen van schakelverliezen, het verhogen van de conversie-efficiëntie en het verbeteren van de apparaatdynamiek.
Het gebruik van SiC-oplossingen voor energieopslag kan een kleiner productformaat en -gewicht hebben, kan een hogere schakelfrequentie bereiken en kan door het gebruik van kleinere magnetische apparaten kleinere transformatoren / inductoren gebruiken, het verlies is kleiner, betere warmteafvoer, hetzelfde Het vermogen kan in een kleinere behuizing worden gemonteerd en vergeleken met silicium-IGBT's is de SiC-vermogensdichtheid (W/Kg) verdubbeld, met een hoge vermogensdichtheid, en kan de eenvoudige bidirectionele convertertopologie worden gebruikt met minder luscontrole en hogere efficiëntie.
SiC-apparaten hebben een lagere aan-weerstand per volume-eenheid, lage geleidingsverliezen, geen stroomweerstand tijdens het uitschakelen, lage schakelverliezen en zeer lage herstelverliezen van de lichaamsdiode, en kunnen de inhoud van de stuklijst (BOM), de robuustheid van het systeem en de hogere betrouwbaarheid.
DC-DC hoogspanningszijde van het ontwerp, bijvoorbeeld in de busspanning 500V kan 1200V SiC en IGBT worden gebruikt, aandrijfspanning 15V / -2,5V, schakelfrequentie van 30kHz, de andere kant van het circuit kan worden gebruikt in 650V SiC en IGBT, aandrijfspanning 15V / -2,5V, schakelfrequentie van 76kHz. hoogspanningszijde van het circuit wanneer de efficiëntie van het SiC-apparaat Hoger rendement wanneer SiC-apparaten worden gebruikt in het hoogspanningscircuit. SiC-eindbuizen worden aangedreven door 15V en zijn compatibel met IGBT-eindbuisoplossingen.
Uitdagingen en oplossingen voor bidirectionele DC/DC-converters
Er zijn veel uitdagingen bij het ontwerpen van een bidirectionele DC/DC-stroomomvormer voor ESS, zoals het oplossen van het probleem van lage MOS Vds-spanning in stabiele werking en onbelaste toestand in ontladingsmodus, en de oplossing is het vergroten van de inductie in de primaire fase van de transformator tot 200 µH, waardoor de spanningsstress met 25% wordt verminderd en de efficiëntie met 6% ~ 7% wordt verbeterd.
Om het probleem van Vds-spanningsstress in de ontladingsmodus en het opstarten op te lossen, is de oplossing bovendien het gebruik van hybride PWM+PFM-besturing bij de ingangspoort, waardoor de spanningsstress met 27% wordt verminderd, en de Vmax is 124V bij 80V. Op dezelfde manier moet de resonante condensator in de ontladingsmodus geconfronteerd worden met de abnormaal hoge temperatuur (96 ℃ bij 2100 W), en de condensator kan worden gewijzigd in mkp21224/400VDC, wat de spanningsstress met 25% zal verminderen en de efficiëntie met 6% zal verbeteren. ~7%. /400VDC, de temperatuur van de resonante condensator kan worden verlaagd tot 65℃@3000W.
Aan de andere kant zal in de ontladingsmodus de werkfrequentie plotseling veranderen naar 180 kHz en is de versterkingscurve niet stabiel. In dit geval kan de versterkingscurve stabiel worden gehouden door het vaste aan-tijd-frequentiepunt van de SRMOS af te stemmen op minder dan 180 kHz.
SiC MOSFET-producten voldoen aan de DC-DC-ontwerpbehoeften
Als we het 6600V 48V bidirectioneel hoogfrequent geïsoleerd DC-DC referentieontwerp als voorbeeld nemen, kan het oplaadgedeelte een DC-buslaadbereik van 380-480 VDC, DC-buslaadstroom ≦16A, uitgangsspanning van 40-60 VDC, uitgangsspanning ondersteunen stroom ≦140A, uitgangsvermogen tot 6,6 kW, laadefficiëntie tot 95% bij 420V, laadstroom-rimpelfactor is 1%. In het ontladingsgedeelte is het spanningsbereik aan de batterijzijde 40-60 VDC, de stroom aan de batterijzijde ≦140A, het spanningsbereik van de DC-bus is 380-480 VDC, het uitgangsvermogen is maximaal 6,6 kW, de ontladingsefficiëntie is maximaal 94 % bij 54 V, en de busspanningsrimpelcoëfficiënt is 1%.
Dit referentieontwerp werkt van 43V-57V aan de laagspanningszijde zonder de Buck_Boost-regelaar, en van 49V-57V op vol vermogen, met een maximale gestabiliseerde uitgangsstroom van 142A en een maximale kortstondige uitgangsstroom van 150A (Vin = 420V, ohmse belasting). Met de Buck_Boost-regelaar werkt de laagspanningszijde van 43V-57V, is het volledige vermogensbereik 49V-60V, is de maximale gestabiliseerde uitgangsstroom 145A en is de maximale kortstondige uitgangsstroom 150A (Vin = 420V, ohmse belasting ). Dit referentieontwerp maakt gebruik van acht van Rohm's SCT3030AR TO-247 verpakte SiC MOSFET's, evenals de BM61S41RFV-C poortdriver met RJ1P12BBDTLL-vermogens-MOSFET's.
De SCT3030AR van Rohm is een SiC MOSFET die 650V Nch ondersteunt in een 4-pins behuizing, en is een SiC MOSFET met geulpoort die bij uitstek geschikt is voor servervoedingen, zonne-energie-omvormers en laadstations voor elektrische voertuigen die een hoge efficiëntie vereisen, enz. Hij is verkrijgbaar in een 4-pins pakket dat de voedingsbronpin scheidt van de driverbronpin, waardoor de schakelprestaties op hoge snelheid worden gemaximaliseerd. Het verbetert met name het geleidingsverlies aanzienlijk, waardoor het geleidingsverlies en het uitschakelverlies met een gecombineerd totaal van ongeveer 35% worden verminderd in vergelijking met het vorige 3-pins pakket (TO-247N).
Rohm's SCT3030AR beschikt over een lage aan-weerstand, hoge schakelsnelheid, snel omgekeerd herstel, gemakkelijke parallelschakeling en eenvoudige aandrijving, en is verkrijgbaar in een loodvrij geplateerd pakket dat voldoet aan RoHS voor een breed scala aan toepassingen, zoals omvormers voor zonne-energie, DC/ DC-converters, schakelende voedingen, inductieverwarming en motoraandrijvingen.
BM61S41RFV-C is een gate-driver met een isolatiespanning van 3750 Vrms, maximale gate-drive-spanning van 24V, maximale I/O-vertragingstijd van 65 ns, minimale ingangspulsbreedte van 60 ns, uitgangsstroom van 4A, onderspanningsvergrendeling (UVLO) functie en actieve Miller-klemfunctie, conform de AEC-Q100-standaard, en maakt gebruik van het SSOP-B10W-pakket. De RJ1P12BBD is een Nch 100V 120A vermogens-MOSFET met lage aan-weerstand, hoog vermogen in een klein matrijspakket, loodvrije coating, RoHS-conform, halogeenvrij en UIS-getest.
Conclusie
Nu groene energie steeds belangrijker wordt voor de internationale gemeenschap, stimuleert het ook de snelle ontwikkeling van residentiële ESS-toepassingen, waarbij een aanzienlijk aantal elektronische componenten en oplossingen betrokken zijn, en die ook een enorme marktkans vertegenwoordigt.
