Rozwiązania magazynowania energii w bateriach (ESS) są wykorzystywane nie tylko w zastosowaniach przemysłowych i wytwarzaniu energii, ale także w części mieszkaniowej rodziny, która stała się kluczem do obecnego zastosowania i rozwoju rynku. Rozwiązania ESS dla gospodarstw domowych wymagają mniejszej mocy, ale nadal mają takie same wymagania dotyczące efektywności konwersji i bezpieczeństwa jak zastosowania przemysłowe. W tym artykule przedstawimy Ci trend rynkowy rozwiązań ESS dla gospodarstw domowych oraz wprowadzimy funkcjonalne cechy rozwiązań związanych z SiC.
Rezydencyjny ESS do przechowywania i zarządzania energią
Mieszkalne systemy magazynowania energii (ESS) to rozwiązania do przechowywania i zarządzania energią elektryczną w domach, mające na celu poprawę efektywności energetycznej, obniżenie kosztów energii oraz zwiększenie stabilności dostaw energii. Zastosowania mieszkalnych ESS zazwyczaj obejmują systemy generacji energii słonecznej (systemy fotowoltaiczne (PV)), gdzie panele słoneczne PV są zazwyczaj montowane na dachu lub innym odpowiednim miejscu, aby przekształcać światło słoneczne w prąd stały (DC).
ESS wymaga również kontrolera ładowania, który jest odpowiedzialny za monitorowanie wyjścia systemu zasilania słonecznego oraz kontrolowanie przepływu elektryczności do systemu magazynowania energii, co zapewnia, że energia elektryczna generowana przez panele słoneczne jest magazynowana w baterii. Baterie są podstawowym elementem ESS i służą do przechowywania energii elektrycznej generowanej przez panele słoneczne w ciągu dnia, aby dostarczać energię w nocy lub w pochmurne dni. Powszechnie dostępne technologie baterii to między innymi baterie litowo-jonowe (Li-ion) oraz kwasowo-ołowiowe.
ESS wymaga również inwertera do przekształcania prądu stałego przechowywanego w bateriach na prąd zmienny, aby zasilać urządzenia i oświetlenie w domu, oraz systemu zarządzania energią (EMS) do monitorowania zużycia energii w domu, prognoz pogody i cen energii elektrycznej w celu optymalizacji wykorzystania i magazynowania energii. Może automatycznie kontrolować proces ładowania i rozładowywania, aby zapewnić optymalną efektywność energetyczną.
Domowy system magazynowania energii (ESS) może być również podłączony do sieci, co umożliwia gospodarstwom domowym zakup energii elektrycznej w razie potrzeby lub sprzedaż nadmiaru energii do sieci, gdy jest jej wystarczająco dużo - ta zdolność do przepływu energii w obu kierunkach jest znana jako "dwukierunkowy pomiar". Dzięki systemowi monitoringu mieszkańcy mogą na bieżąco śledzić stan operacyjny systemu energetycznego, generację i zużycie energii oraz dokonywać regulacji operacyjnych za pomocą systemu zdalnego sterowania, takich jak zmiana trybu pracy systemu magazynowania energii lub ustawianie czasów ładowania i rozładowywania.
Architektura domowego ESS może być dostosowana do konkretnych potrzeb i technologii, aby zapewnić optymalną wydajność i efektywność. Takie systemy pomagają osiągnąć samowystarczalność energetyczną, oszczędzać energię i redukować emisje oraz zapewniają zasilanie awaryjne w przypadku przerwy w dostawie sieci.
Zastosowania magazynów energii w gospodarstwach domowych różnią się od zastosowań przemysłowych pod względem wymagań, przy czym główne różnice polegają na tym, że magazyny energii w gospodarstwach domowych wymagają niższej mocy, zazwyczaj poniżej 10 kW, muszą obsługiwać dwukierunkową konwersję mocy, głównie wykorzystują wysokosprawne topologie AC/DC o wysokich parametrach EMC, a także wysokosprawne topologie DC/DC o wysokich specyfikacjach bezpieczeństwa, oraz muszą obsługiwać szeroki zakres napięć magistrali od 360V do 550V. Baterie są zwykle umieszczone po stronie DC, co wymaga sprawności systemu powyżej 90% oraz niezawodnej stabilności systemu, dążenia do wysokiej gęstości mocy, aby osiągnąć cel małych rozmiarów i niskiej wagi, a także konieczności obniżenia kosztów systemu oraz spełnienia wyższych wymagań dotyczących bezpieczeństwa, EMC, hałasu i innych cech.
SiC przewyższa urządzenia krzemowe
Aby spełnić powyższe wymagania, w konwersji mocy często stosuje się węglik krzemu (SiC), ze względu na istotne zalety urządzeń SiC, które mogą poprawić efektywność systemu przy wysokich prądach i wysokich temperaturach, a wysoka odporność na pole elektryczne materiałów SiC pozwala urządzeniom SiC pracować przy wyższych napięciach, z wyższą wytrzymałością na napięcie w porównaniu z urządzeniami krzemowymi, co czyni urządzenia SiC szczególnie przydatnymi w zastosowaniach konwersji mocy.
To sprawia, że urządzenia SiC są szczególnie przydatne w zastosowaniach związanych z konwersją mocy.
Ponadto urządzenia SiC mają wyższą szybkość migracji elektronów, co czyni je lepszymi w zastosowaniach wysokoczęstotliwościowych. W zastosowaniach takich jak przetwornice wysokoczęstotliwościowe i wzmacniacze mocy, urządzenia SiC oferują poprawioną wydajność. przewodność cieplna SiC jest trzykrotnie wyższa niż krzemu i pozwala na mniejsze rozmiary i wagę, aby zwiększyć gęstość mocy, zoptymalizować koszty systemu, obniżyć koszt na jednostkę objętości, przetwarzać energię w obu kierunkach oraz być bezpiecznym i niezawodnym, osiągając 50% redukcję rozmiaru i niższy koszt na wat, co oznacza mniejsze i lżejsze urządzenia przy tym samym poziomie mocy.
Materiały SiC są chemicznie stabilne i mniej podatne na działanie substancji korozyjnych. Dzięki temu urządzenia SiC są bardziej odpowiednie do zastosowań w niektórych ekstremalnych środowiskach. Urządzenia SiC charakteryzują się wysokimi prędkościami ruchu nośników, co zapewnia im szybsze prędkości przełączania. Jest to korzystne dla zmniejszenia strat przełączania, zwiększenia efektywności konwersji oraz poprawy dynamiki urządzenia.
Zastosowanie rozwiązań magazynowania energii SiC może skutkować mniejszym rozmiarem i wagą produktu, umożliwia osiągnięcie wyższej częstotliwości przełączania, a dzięki zastosowaniu mniejszych urządzeń magnetycznych, można używać mniejszych transformatorów / cewek, jego straty są mniejsze, lepsze rozpraszanie ciepła, ta sama moc może być zamontowana w mniejszej obudowie, a w porównaniu z krzemowymi IGBT, gęstość mocy SiC (W / Kg) jest podwojona, z wysoką gęstością mocy, i można użyć prostej topologii konwertera dwukierunkowego z mniejszą kontrolą pętli i wyższą wydajnością.
Urządzenia SiC mają niższą rezystancję przewodzenia na jednostkę objętości, niskie straty przewodzenia, brak przeciągania prądu podczas wyłączania, niskie straty przełączania oraz bardzo niskie straty odzysku diody ciała, a także mogą zmniejszyć zawartość materiałów w zestawie (BOM), wytrzymałość systemu i zwiększyć niezawodność.
Strona wysokiego napięcia DC-DC w projekcie, na przykład przy napięciu szyny 500V można użyć 1200V SiC i IGBT, napięcie sterujące 15V / -2,5V, częstotliwość przełączania 30kHz, druga strona obwodu może używać 650V SiC i IGBT, napięcie sterujące 15V / -2,5V, częstotliwość przełączania 76kHz. Strona wysokiego napięcia obwodu, gdy urządzenie SiC ma wyższą sprawność. Wyższa sprawność, gdy urządzenia SiC są używane w obwodzie strony wysokiego napięcia, rury mocy SiC są sterowane napięciem 15V i są kompatybilne z rozwiązaniami rur mocy IGBT.
Wyzwania i rozwiązania dla dwukierunkowych przetwornic DC/DC
Istnieje wiele wyzwań w projektowaniu dwukierunkowego przetwornika DC/DC dla ESS, takich jak rozwiązanie problemu niskiego napięcia Vds MOS po stronie niskiej w stanie ustalonym i przy braku obciążenia w trybie rozładowania, a rozwiązaniem jest zwiększenie indukcyjności w pierwotnym uzwojeniu transformatora do 200µH, co zmniejsza napięciowe obciążenie o 25% i poprawia wydajność o 6%~7%.
Ponadto, aby rozwiązać problem napięcia Vds w trybie rozładowania i uruchamiania, rozwiązaniem jest zastosowanie hybrydowej kontroli PWM+PFM na porcie wejściowym, co zmniejszy napięcie o 27%, a Vmax wynosi 124V przy 80V. Podobnie, w trybie rozładowania, kondensator rezonansowy musi wytrzymać wyjątkowo wysoką temperaturę (96℃@2100W), a kondensator można wymienić na mkp21224/400VDC, co zmniejszy napięcie o 25% i poprawi wydajność o 6%~7%. /400VDC, temperatura kondensatora rezonansowego może zostać obniżona do 65℃@3000W.
Z drugiej strony, w trybie rozładowania, częstotliwość pracy nagle zmieni się na 180 kHz, a krzywa wzmocnienia nie jest stabilna. W takim przypadku krzywą wzmocnienia można utrzymać stabilną, dostrajając stały czas pracy SRMOS do częstotliwości poniżej 180 kHz.
Produkty SiC MOSFET spełniają potrzeby projektów DC-DC
Biorąc za przykład referencyjny projekt izolowanego przetwornika DC-DC o wysokiej częstotliwości 6600V 48V dwukierunkowego, jego część ładująca może obsługiwać zakres ładowania szyny DC od 380 do 480 VDC, prąd ładowania szyny DC ≦16A, napięcie wyjściowe od 40 do 60 VDC, prąd wyjściowy ≦140A, moc wyjściowa do 6,6 kW, sprawność ładowania do 95% przy 420V, współczynnik tętnień prądu ładowania wynosi 1%. W sekcji rozładowania zakres napięcia po stronie baterii wynosi 40-60 VDC, prąd po stronie baterii ≦140A, zakres napięcia szyny DC to 380-480 VDC, moc wyjściowa do 6,6 kW, sprawność rozładowania do 94% przy 54V, a współczynnik tętnień napięcia szyny wynosi 1%.
Ten projekt referencyjny działa w zakresie od 43V do 57V po stronie niskiego napięcia bez regulatora Buck_Boost, oraz od 49V do 57V przy pełnej mocy, z maksymalnym ustabilizowanym prądem wyjściowym 142A i maksymalnym krótkotrwałym prądem wyjściowym 150A (Vin = 420V, obciążenie rezystancyjne). Z regulatorem Buck_Boost, strona niskiego napięcia działa w zakresie od 43V do 57V, pełny zakres pracy przy pełnej mocy wynosi 49V-60V, maksymalny ustabilizowany prąd wyjściowy to 145A, a maksymalny krótkotrwały prąd wyjściowy to 150A (Vin = 420V, obciążenie rezystancyjne). Ten projekt referencyjny wykorzystuje osiem tranzystorów SiC MOSFET SCT3030AR firmy Rohm w obudowie TO-247, a także sterownik bramki BM61S41RFV-C z tranzystorami mocy MOSFET RJ1P12BBDTLL.
SCT3030AR firmy Rohm to tranzystor SiC MOSFET obsługujący 650V Nch w obudowie 4-pinowej, będący tranzystorem SiC MOSFET z bramką typu trench, idealnie nadającym się do zasilaczy serwerowych, falowników solarnych oraz stacji ładowania pojazdów elektrycznych, które wymagają wysokiej wydajności itp. Dostępny jest w obudowie 4-pinowej, która oddziela pin źródła zasilania od pinu źródła sterownika, co maksymalizuje wydajność przełączania z dużą prędkością. W szczególności znacznie poprawia straty przewodzenia, redukując straty przewodzenia i straty wyłączania łącznie o około 35% w porównaniu do poprzedniej obudowy 3-pinowej (TO-247N).
SCT3030AR firmy Rohm charakteryzuje się niską rezystancją w stanie włączenia, szybkim czasem przełączania, szybkim odzyskiem wstecznym, łatwym łączeniem równoległym oraz prostym sterowaniem, i jest dostępny w bezolowiowej obudowie zgodnej z normą RoHS, przeznaczonej do szerokiego zakresu zastosowań, takich jak inwertery słoneczne, przetwornice DC/DC, zasilacze impulsowe, ogrzewanie indukcyjne oraz napędy silnikowe.
BM61S41RFV-C to sterownik bramki z napięciem izolacji 3750 Vrms, maksymalnym napięciem sterowania bramką 24V, maksymalnym czasem opóźnienia I/O 65 ns, minimalną szerokością impulsu wejściowego 60 ns, prądem wyjściowym 4A, funkcją blokady napięcia podnapięciowego (UVLO) oraz aktywną funkcją zacisku Millera, zgodny ze standardem AEC-Q100, w obudowie SSOP-B10W. RJ1P12BBD to Nch 100V 120A tranzystor MOSFET mocy o niskiej rezystancji w stanie włączenia, wysokiej mocy w małej obudowie, z powłoką bezołowiową, zgodny z RoHS, bezhalogenowy i testowany pod kątem UIS.
Wniosek
W miarę jak zielona energia staje się coraz ważniejsza dla społeczności międzynarodowej, napędza to również szybki rozwój zastosowań domowych systemów magazynowania energii (ESS), które obejmują znaczną liczbę komponentów elektronicznych i rozwiązań, a także stanowią ogromną szansę rynkową.
