Wohnenergiespeicherlösungen zur Steigerung der Energieeffizienz

Wohngebäude-Energiespeicherlösungen (ESS) werden nicht nur in industriellen und energieerzeugenden Anwendungen eingesetzt, sondern haben auch im Wohnsektor an Bedeutung gewonnen, was die aktuellen Anwendungen und Markttrends widerspiegelt. Obwohl Wohngebäude-ESS-Lösungen eine niedrigere Leistung erfordern, bleiben die Anforderungen an Effizienz und Sicherheit vergleichbar mit denen industrieller Anwendungen. In diesem Artikel werden die Markttrends bei Wohngebäude-ESS-Lösungen sowie die funktionalen Eigenschaften der SiC-bezogenen Lösungen von Arrow und Rohm vorgestellt.

Wohngebäude-ESS-Anwendungen zur Speicherung und Verwaltung elektrischer Energie

Residential ESS ist eine Energiespeicherlösung, die für den Einsatz in Wohnumgebungen entwickelt wurde. Ihr Zweck besteht darin, elektrische Energie zu speichern und zu verwalten, um die Energieeffizienz zu verbessern, Energiekosten zu senken und die Stabilität der Energieversorgung zu erhöhen. Anwendungen von Residential ESS umfassen typischerweise Solarkraftsysteme (Photovoltaikanlagen), bei denen Solarmodule häufig auf Dächern oder anderen geeigneten Orten installiert werden, um Sonnenlicht in Gleichstrom (DC) umzuwandeln.   Das ESS benötigt außerdem einen Laderegler, der für die Überwachung der Ausgabe des Solarkraftsystems und die Steuerung des Energieflusses zum Energiespeichersystem verantwortlich ist. Er stellt sicher, dass die durch Solarstrom erzeugte elektrische Energie in der Batterie gespeichert wird. Die Batterie ist die Kernkomponente des ESS und dient dazu, die durch Solarstrom tagsüber erzeugte elektrische Energie zu speichern, um diese nachts oder an bewölkten Tagen bereitzustellen. Gängige Batterietechnologien sind Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion) und Bleisäurebatterien.   Das ESS benötigt ebenfalls einen Wechselrichter, um den in der Batterie gespeicherten Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) umzuwandeln, der zum Betrieb von Haushaltsgeräten und Beleuchtung verwendet wird. Zusätzlich wird ein Energiemanagementsystem (EML) eingesetzt, um den Energieverbrauch des Haushalts, Wettervorhersagen, Strompreise und andere Informationen zu überwachen. Dieses System optimiert die Nutzung und Speicherung von Energie, indem es die Lade- und Entladeprozesse automatisch steuert, um eine optimale Energieeffizienz zu gewährleisten.   Residential ESS kann auch an das Stromnetz angeschlossen werden, sodass Haushalte Strom kaufen können, wenn es erforderlich ist, oder überschüssige Energie bei einem Überangebot ins Netz einspeisen können. Dieser bidirektionale Energiefluss wird als "bidirektionales Messen" bezeichnet. Über Überwachungssysteme können die Hausbesitzer den Echtzeit-Betriebsstatus des Energiesystems überwachen, die Energieerzeugung und den Energieverbrauch verfolgen und Betriebsanpassungen aus der Ferne vornehmen. Dazu gehört, den Betriebsmodus des Energiespeichersystems zu ändern oder Lade- und Entladezeiten einzustellen.   Die Architektur von Residential ESS kann entsprechend spezifischer Anforderungen und Technologien angepasst werden, um eine optimale Leistung und Effizienz zu gewährleisten. Dieses System trägt dazu bei, Energieautarkie, Energieeinsparungen und Emissionsreduktionen zu erzielen. Darüber hinaus stellt es bei Stromausfällen eine Notstromversorgung dar.   Die Anforderungen an Residential ESS-Anwendungen unterscheiden sich von denen industrieller Anwendungen, hauptsächlich aufgrund des geringeren Energiebedarfs von Residential ESS, der typischerweise eine Leistung von weniger als 10 kW erfordert. Es muss die bidirektionale Energieumwandlung unterstützen und nutzt häufig hocheffiziente AC/DC-Topologien mit hohen elektromagnetischen Verträglichkeitseigenschaften sowie hocheffiziente und sichere DC/DC-Topologien. Residential ESS muss eine breite Spannungsreichweite im Sammelschienensystem (360V - 550V) unterstützen und platziert die Batterie üblicherweise auf der Gleichstromseite. Die Systeme müssen eine Effizienz von über 90 % aufweisen, und eine zuverlässige Systemstabilität ist essentiell. Es wird besonderer Wert auf eine hohe Leistungsdichte gelegt, um Ziele zur Reduzierung von Größe und Gewicht zu erreichen. Außerdem ist die Kostenreduzierung ein wesentlicher Faktor, und es werden hohe Anforderungen an Sicherheitsstandards, elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) und Geräuschcharakteristika gestellt.

SiC-Geräte weisen eine überlegene Leistung im Vergleich zu Silizium-Geräten auf

Um die oben genannten Anforderungen zu erfüllen, ist es üblich, Siliziumkarbid (SiC) für die Leistungsumwandlung zu verwenden. Der Grund dafür liegt darin, dass SiC-Bauelemente erhebliche Vorteile bieten und die Systemeffizienz unter Bedingungen von hohem Strom und hohen Temperaturen verbessern. Das hohe Abrissfeld des SiC-Materials ermöglicht es SiC-Bauelementen, bei höheren Spannungen zu arbeiten, was eine höhere Spannungsfestigkeit im Vergleich zu Silizium-Bauelementen liefert. Dies macht SiC-Bauelemente besonders nützlich für Anwendungen in der Leistungsumwandlung.   Darüber hinaus weisen SiC-Bauelemente eine höhere Elektronenbeweglichkeit auf, wodurch sie sich für Hochfrequenzanwendungen besser eignen. Bei Anwendungen wie Hochfrequenzwandlern und Leistungsverstärkern liefern SiC-Bauelemente eine bessere Leistung. Die Wärmeleitfähigkeit von SiC ist dreimal so hoch wie die von Silizium-Bauelementen, was kleinere Abmessungen und ein geringeres Gewicht ermöglicht, dadurch die Leistungsdichte erhöht und die Systemkosten optimiert. Mit einer Senkung der Kosten pro Volumeneinheit kann Energie bidirektional sicher und zuverlässig umgewandelt werden. Dies führt zu den Zielen, das Volumen um 50 % zu reduzieren und die Kosten pro Watt-Einheit zu senken. Das bedeutet, dass bei gleicher Leistung SiC-Bauelemente ein geringeres Volumen und ein geringeres Gewicht haben.   Das SiC-Material ist chemisch stabil und zeigt minimale Anfälligkeit für Korrosion durch korrosive Substanzen. Diese Eigenschaft macht SiC-Bauelemente geeigneter für den Einsatz in extremen Umgebungen. Die hohe Ladungsträgermobilität von SiC-Bauelementen führt zu schnelleren Schaltgeschwindigkeiten. Dies ist vorteilhaft, um Schaltverluste zu reduzieren, die Umwandlungseffizienz zu verbessern und die dynamischen Eigenschaften der Bauelemente zu optimieren.   Die Einführung von SiC-Energiespeicherlösungen ermöglicht kleinere Produktabmessungen und ein geringeres Gewicht. Sie erlauben höhere Schaltfrequenzen und durch den Einsatz kleinerer magnetischer Bauteile können kleinere Transformatoren/Induktivitäten verwendet werden. Dies führt zu geringeren Verlusten und besserer Wärmeableitung. Die gleiche Leistung kann in einem kleineren Gehäuse untergebracht werden im Vergleich zu Silizium-IGBTs. Im Vergleich zu Silizium-IGBTs bietet SiC eine doppelte Leistungsdichte (W/kg), wodurch eine hohe Leistungsdichte erreicht wird. Es können einfache bidirektionale Wandler-Topologien mit weniger Regelkreisen verwendet werden, was zu einer höheren Effizienz führt.   SiC-Bauelemente zeichnen sich durch einen niedrigen Durchlasswiderstand pro Volumeneinheit aus, was zu reduzierten Leitungsverlusten führt. Sie weisen geringe Verluste im eingeschalteten Zustand während des Ausschaltens auf und eliminieren das Phänomen des Stromnachlaufs, was zu niedrigen Schaltverlusten führt. Die Wiederherstellungsverluste der eigenen Diode sind sehr gering, und SiC-Bauelemente ermöglichen eine Reduktion der Stückliste (BOM). Das System ist robust, langlebig und bietet eine höhere Zuverlässigkeit.   Am Beispiel eines DC-DC-High-Side-Designs mit einer Busbarschiene von 500V kann auf der Hochspannungseite eine Kombination aus 1200V SiC und IGBT verwendet werden. Die Treiberspannung beträgt 15V/-2,5V und die Schaltfrequenz 30kHz. Auf der anderen Seite des Schaltkreises können 650V SiC und IGBT mit einer Treiberspannung von 15V/-2,5V und einer Schaltfrequenz von 76kHz verwendet werden. Die Effizienz ist höher, wenn SiC-Bauelemente auf der Hochspannungseite eingesetzt werden. SiC-Leistungsbauelemente arbeiten mit einer 15V-Treiberspannung und sind kompatibel mit Lösungen für IGBT-Leistungsbauelemente.

Design-Herausforderungen und Lösungen für bidirektionale DC/DC-Leistungswandler

Beim Entwerfen bidirektionaler DC/DC-Wandler für Energiespeichersysteme (ESS) gibt es zahlreiche Herausforderungen zu bewältigen. Zum Beispiel ist im Entlademodus die Lösung des Gleichgewichtsbetriebs und die Belastung durch MOSFET-Vds-Spannungsstress im Leerlauf essenziell. Eine Lösung besteht darin, die Induktivität auf der Primärseite des Transformators auf 200µH zu erhöhen. Dieser Ansatz kann den Spannungsstress um 25 % reduzieren und die Effizienz um 6 % bis 7 % verbessern.   Darüber hinaus müssen Spannungsstressprobleme von Vds im Entlademodus und beim Start adressiert werden. Die Lösung besteht darin, eine PWM+PFM-Hybridsteuerung am Eingangsport einzusetzen. Dies kann den Spannungsstress um 27 % senken, wobei Vmax bei 124V liegt bei einer Eingangsspannung von 80V. Ebenso kann es im Entlademodus zu Problemen mit einer übermäßig hohen Temperatur (96°C@2100W) im Resonanzkondensator kommen. Durch den Wechsel des Kondensatormodells zu mkp21224/400VDC kann die Temperatur des Resonanzkondensators auf 65°C@3000W gesenkt werden.

Andererseits kann im Entlademodus die Betriebsfrequenz plötzlich auf etwa 180 kHz wechseln, was zu Instabilität in der Verstärkungskurve führen kann. Um dieses Problem zu beheben, kann der feste Leitungszeit-Frequenzpunkt des SRMOS so eingestellt werden, dass er unter 180 kHz liegt, wodurch Stabilität in der Verstärkungskurve gewährleistet wird.

SiC-MOSFET-Produkte erfüllen die Anforderungen für DC-DC-Designs

Das 6600V 48V bidirektionale hochfrequente isolierte DC-DC-Referenzdesign, unterstützt von Shenzhen Winchen Electronics und Arrow, bietet ein Beispiel. Im Ladeabschnitt unterstützt es einen DC-Busladenbereich von 380-480 VDC, eine Ladestromstärke von ≤16A, eine Ausgangsspannung von 40-60 VDC, einen Ausgangsstrom von ≤140A und eine maximale Ausgangsleistung von 6,6 kW. Die Ladeeffizienz kann bei 420V bis zu 95% erreichen, und der Stromwelligkeitskoeffizient beträgt 1%. Im Entladeabschnitt beträgt der Batteriespannungsbereich 40-60 VDC, der Batteriestrom ≤140A, der DC-Busspannungsbereich 380-480 VDC, die maximale Ausgangsleistung 6,6 kW, die Entladeeffizienz kann bei 54V bis zu 94% erreichen, und der Busspannungswelligkeitskoeffizient beträgt 1%.   In diesem Referenzdesign, ohne Buck-Boost-Regler, liegt der Betriebsbereich auf der Niederspannungsseite bei 43V-57V, der Vollleistungsbetriebsbereich bei 49V-57V, der maximale stabile Ausgangsstrom beträgt 142A und der maximale kurzfristige Ausgangsstrom beträgt 150A (Vin = 420V, Widerstandslast). Mit dem Buck-Boost-Regler beträgt der Betriebsbereich auf der Niederspannungsseite ebenfalls 43V-57V, der Vollleistungsbetriebsbereich liegt jedoch bei 49V-60V, der maximale stabile Ausgangsstrom beträgt 145A und der maximale kurzfristige Ausgangsstrom beträgt 150A (Vin = 420V, Widerstandslast). Dieses Referenzdesign verwendet 8 Stück Rohm SCT3030AR TO-247 verpackte SiC-MOSFETs zusammen mit dem BM61S41RFV-C-Gatetreiber und dem RJ1P12BBDTLL-Leistungs-MOSFET.   Rohms SCT3030AR ist ein 650V N-Kanal 4-Pin verpackter SiC-MOSFET, der sich besonders für Anwendungen eignet, die eine hohe Effizienz verlangen, wie Server, Solarinverter und Ladestationen für Elektrofahrzeuge. Er verfügt über eine Graben-Gate-Struktur des SiC-MOSFET mit getrennten Stromversorgungs- und Treiber-Pins in einem 4-Pin-Gehäuse, wodurch die Hochgeschwindigkeits-Schaltleistung maximiert und insbesondere die Leitungsverluste deutlich reduziert werden. Im Vergleich zu herkömmlichen 3-Pin-Gehäusen (TO-247N) können die Gesamtleitungs- und Schaltverluste um etwa 35% verringert werden.   Rohms SCT3030AR zeichnet sich durch einen niedrigen Einschaltwiderstand, hohe Schaltgeschwindigkeit, schnelle Rückwärtsregeneration, einfache Parallelschaltung und eine einfache Ansteuerung aus. Er ist in einer Pb-freien Beschichtung verpackt, RoHS-konform und eignet sich für ein breites Anwendungsspektrum wie Solarinverter, DC/DC-Wandler, Schaltnetzteile, Induktionserhitzung und Motorantriebe.   BM61S41RFV-C ist ein Gatetreiber mit einer Isolationsspannung von 3750 Vrms, einer maximalen Gatetreiber-Spannung von 24V, einer maximalen I/O-Verzögerungszeit von 65 ns, einer minimalen Eingangspulsbreite von 60 ns und einem Ausgangsstrom von 4A. Er verfügt über Unterspannungssperrfunktionen (UVLO) und eine aktive Miller-Klemme, entspricht den AEC-Q100-Standards und ist in einem SSOP-B10W-Gehäuse verpackt. RJ1P12BBD ist ein N-Kanal 100V 120A-Leistungs-MOSFET mit niedrigem Einschaltwiderstand, hoher Leistung in einem kleinen Gehäuse. Er verwendet eine Pb-freie Beschichtung, ist RoHS-konform, halogenfrei und hat den UIS-Test bestanden.

Fazit

Da grüne Energie zunehmend Aufmerksamkeit von der internationalen Gemeinschaft erhält, treibt sie die rasche Entwicklung von ESS-Anwendungen (Energy Storage Systems) für Wohngebäude voran. Dies umfasst eine beträchtliche Anzahl elektronischer Komponenten und Lösungen, die einen enormen Markt bieten. Arrow kann Kunden bei der Entwicklung von DC-DC-Lösungen für ESS-Anwendungen unterstützen. Rohms SiC-MOSFET und zugehörige Produkte können die Anforderungen für DC-DC-Anwendungen erfüllen. Für weitere detaillierte Informationen wenden Sie sich bitte direkt an Arrow.