再生可能エネルギーの利用拡大の傾向により、太陽光や風力などの再生可能エネルギー源を確実かつ安全に送電網に接続できる柔軟なエネルギーシステムが開発されました。これらのシステムの広範な採用をサポートするには、電力保護、スイッチング、変換のソリューションを提供する磁気コンポーネント技術の大幅な進歩が必要です。
エネルギー貯蔵システムは、電気を素早く吸収、保持し、再注入する独自の能力により、システムの柔軟性を高める潜在的なソリューションの1つとして浮上しています。過去数年間、エネルギー貯蔵システムのDC電圧は、リチウムイオン電池技術を使用してさらに高く進化し続けています。現在では、250 VDC、600 VDC、1000 VDC、さらに1500 VDCも使用されています。
これらの高電圧システムの主な推進力の1つは、高度な太陽光インバータと電力コンバータの利用可能性です。現在、ほとんどの公益事業規模のバッテリーエネルギー貯蔵システムが公益事業規模の太陽光発電設備と並行して導入されていることを考慮すると、バッテリーシステムがインバーターとコンバーターの入力DC電圧と一致するのは当然のことです。現在、ほとんどの公益事業規模の太陽光インバーターとコンバーターは、太陽光パネルからの1500 VDC入力を使用しています。
Wood Mackenzie Power & Renewables Reportでは、再生可能エネルギー業界が堅調に成長し、年間収益が2020年の12億ドルから2025年には43億ドルに増加すると予測されています。このレベルの市場拡大により、メーカーはシステム効率を高める方法を常に模索しています。
このアプリケーション ノートでは、効率を最大化するためにバッテリー ストレージを使用する電力グリッドにさまざまなエネルギー源を接続するために磁気コンポーネントに必要な高電圧、機能、および性能について説明します。また、1500 V定格の変圧器を指定する際に設計者が認識しておくべき絶縁要件も示します。
より高いDC電圧をサポートするコンポーネント
エネルギー源をグリッドに接続するには、ブレーカー、切断スイッチ、絶縁モニター、ヒューズ、漏電遮断装置など、いくつかの方法があります。図1は再生可能エネルギー システムがグリッドに接続される方法を示しており、図2はバッテリー エネルギー貯蔵用に接続されたソースの配置をより詳細に示しています。これらのシステムはより高いDC電圧をサポートするように進化しており、組み込みの保護機能も備えたより高い電圧定格のコンポーネントを見つけるという追加の設計上の課題が生じています。
より高いDC電圧をサポートするコンポーネント (続き)
図3. マスターとスレーブBMSコントローラ バッテリIC SM91527L isoSPI™ インターフェイス強化絶縁バリア終端コンデンサ間のIsoSPI™ バスの接続を示すブロック図。
これらの懸念に対処するために、Bournsは1500 VDC定格の絶縁磁気製品を開発しました。最近リリースされた、コモンモードチョークを内蔵したモデルSM91527Lシングルチャネル信号トランスは、バッテリーエネルギー貯蔵システム (BESS) のisoSPI™ 通信バスの厳しい絶縁およびEMIフィルタ要件を満たすように設計されています。Bourns® モデルSM91527Lは、一次側と二次側の間の沿面距離が15 mmであるため、動作電圧1500 Vの強化絶縁を必要とする環境での使用が可能です。さらに、Bournsの新しい信号トランスはUL承認を取得しており、設計者はより高い安全性を保証できます。
図3に示すように、この1500 V信号トランスは、バッテリ管理システム (BMS) ボードのisoSPI™ インターフェイスを分離して保護します。BMSインターフェイスは、バッテリー パックの電圧とは別の非危険な環境で動作し、同時に必要なマッチングとコモン モード ノイズ除去を提供することに注意することが重要です。これにより、監視ICと中央管理ボード間の通信も安全かつ中断されなくなります。さらに、モデルSM91527Lトランスフォーマーの機能により、挿入損失 (4 MHzで最大1.2 dB) およびEMI (1-100 MHz CMRRで -50 dB) に関してisoSPI™ ドライバーの推奨事項を満たすことができます。
1500 V定格の変圧器の絶縁要件
1500 Vまでの強化絶縁を備えた変圧器は、電力網またはバッテリー パック自体で発生する可能性のある突然のサージに対して絶縁が耐えられることを証明するために、IEC 60664で定義されたテストに合格する必要があります。設計者が考慮する必要がある要素の1つは、アプリケーションの種類です。民生用機器には特定の過電圧カテゴリ要件があり、産業用機器は異なるカテゴリに定格する必要がある場合があります。これらのカテゴリによって、認定時に必要なサージ テストのレベルが決まります。サージ テストは、主に十分なクリアランスがあるかどうかを確認するために使用されます。これにより、落雷などの事象が発生した場合でも、変圧器の巻線間のギャップが破壊されてイオン化してクロスオーバーが発生することはありません。高度5000メートルまでの過電圧カテゴリ2で1500 Vの定格を満たすには、強化変圧器は12 kVピークの衝撃試験に耐えられる必要があります。
バーン家® モデル SM91527L 上記の要件を満たすことができます。
断熱材自体の品質を確認するために、別の一連のテストが必須です。強化絶縁は、一次側と二次側の間に直流または交流電圧を印加し、両側間の漏れ電流の量を測定することによって検査されます。これは、絶縁材料の誘電率によって電荷が蓄積され、漏れ電流につながるため、誘電テストとも呼ばれます。このテストの別名はHi-POTです。Hi-POTテストに加えて、動作電圧が750 VDCを超えるシステムでは別の手順も必要になります。この手順では、変圧器を高温多湿の環境で老化させます。経年劣化をテストするには、DC電圧をゼロから動作電圧に応じた値まで徐々に上げながら、同時に絶縁体に蓄積されたクーロン単位の電荷量を測定します。このテストは部分放電とも呼ばれます。Bournsは、製造工程の通常の手順として部分放電テストを実行し、動作電圧が最大1500 Vのシステム定格の信号および電力トランスを確認します。
特に、技術者によるテストや診断ができるようにバッテリー管理ボードが露出している可能性がある場合は、ネットワークへの入口で強化絶縁（赤色）を備えた変圧器を使用することが必須となっています。ただし、バッテリー モジュールを保持するラックがプラスチックの壁でシールドされ、デイジー チェーン構成で通信用のトランスを使用する場合は、強化絶縁は必要ありません。この用途では、Bournsなどの1500Vの機能絶縁を備えた信号トランス（オレンジ色）を使用できます。® モデルSM91501ALOトランスもUL認定を受けています。このデバイスには1つのチャネルではなく2つのチャネルがあり、デイジー チェーンの中央に配置するのに適しています。Hi-POTおよびインパルス テストは依然として必要ですが、手順はそれほど厳しくありません (4.3 kV DC Hi-POTおよび8 kVインパルス)。
1500 V定格の変圧器の絶縁要件 (続き)
図4は、強化されたシングル チャネル トランスおよび機能的な2チャネル トランスが1500 V BESSのどこに配置されるかを示しています。BESSは50 Vバッテリー モジュールのストリングに分割され、それぞれが監視され、isoSPI™ バスに2チャネルの機能絶縁トランスがあります。この構成により、Bourns® モデルSM91501ALOトランスなどの強化されたシングル チャネル磁気コンポーネントを使用してストリングを保護できます。
Bournsのコンポーネントによる1500 Vバッテリー ストレージ効率の向上®
このアプリケーション ノートでは、1500 Vで動作する再生可能エネルギー システムのisoSPI™ バスに適した強化絶縁ソリューションについて説明しました。Bournsの例を使用して、® モデルSM91527Lが、より高いバッテリー エネルギー貯蔵効率のニーズを満たすのに役立つことが示されました。このUL認定のコモン モード チョーク付きシングル チャネル信号トランスフォーマーは、バッテリー モジュールのストリングへのエントリ ポイント用に設計されています。モデルSM91527Lの信号性能は、ICメーカーのドライバでの動作に関する推奨事項を満たすようにテストされています。このアプリケーション ノートで紹介されているBourns® トランスは、サージ電圧やその他の絶縁テストに関して厳しい仕様を満たしています。
さらに、Bourns® モデルSM91501ALOはUL認定を受けており、定格1500 VDC (機能絶縁) の2チャンネル トランスであり、人が触れることができないバッテリー モジュール エンクロージャに適しています。両方のBourns® トランスはUL認定を受けているため、設計者はより高いレベルの安全性、品質、信頼性を実現できます。再生可能エネルギーシステムの業界が拡大するにつれ、1500 Vバッテリー パックとインバーターには、1500 V定格のコンポーネントの供給がますます必要になります。Bournsは、これらのニーズに対応するために、1500 V用磁気コンポーネントの開発における継続的な革新に取り組んでいます。
