Entwicklung und Lösung eines hocheffizienten Energieumwandlungssystems

Effizientes Batterieformierungssystem mit Energie-Rückgewinnungsfähigkeit

Aufgrund der zunehmenden Anzahl batteriebetriebener Anwendungen, insbesondere Elektrofahrzeuge (EV) und tragbare Geräte wie Smartphones, Tablets und Elektrowerkzeuge, steigt die weltweite Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien. Der Batterieformierungsprozess aktiviert Lithium-Chemien durch präzise kontrollierte Lade- und Entladezyklen und wandelt die Chemien in ein nutzbares Format um. Daher benötigt das Batterieformierungssystem eine hohe Leistungsdichte, um die Lade- und Entladekanäle zu erhöhen, sowie einen effizienten Energiewandlungsprozess mit Fähigkeit zur Energierückgewinnung und bidirektionaler Stromverarbeitung.

Das System, das durch die Stromversorgung aus dem Wechselstromnetz bis zur formatierten Batterie gebildet wird, umfasst eine Leistungsfaktorkorrekturstufe (PFC) als Schnittstelle zum Wechselstromnetz, eine isolierte DC-DC-Stufe zur Stromisolierung und Spannungsreduzierung sowie eine nicht isolierte DC-DC-Stufe zur Bereitstellung präziser Lade- und Entladespannungen für eine gut kontrollierte Lade- und Entladestromregelung. Alle Stufen basieren auf der Technologie von Schaltwandlern anstelle von linearen Reglern. Der Einsatz von Schaltwandlern ermöglicht es dem Formationssystem, die Energieeffizienz und Leistungsdichte zu verbessern und bietet die Möglichkeit des Energierückgewinns mit derselben Hardware, wodurch die Herstellungskosten der Batterie reduziert werden.

Um den Anforderungen an hohe Leistungsdichte, hohe Effizienz und Energierückgewinnung zuverlässiger Batteriebildungssysteme gerecht zu werden, bietet Infineon eine Vielzahl von Produkten an, darunter Leistungsbauelemente, Treiber-ICs und Mikrocontroller. Die Kernstufe des Batteriebildungssystems kann in die PFC-Stufe, die isolierte DC-DC-Stufe und die nicht isolierte DC-DC-Stufe unterteilt werden.

Infineon empfiehlt die Verwendung der 600 V CoolMOS™ C7- und P7-Serie als aktive Schalter in diesen PFC-Topologien für eine effiziente Leistungsumwandlung. Die CoolSiC™ Schottky-Diode 650 V G6 wird als empfohlener passiver Schalter eingesetzt, da sie nur einen Vorwärtsspannungsabfall von 1,25 V aufweist, wodurch die Leitungsverluste in der PFC-Stufe reduziert werden.

Ähnlich wie bei der hocheffizienten Server-Switching-Modus-Stromversorgung (SMPS) wird die Zero-Voltage-Switching-Topologie (ZVS) üblicherweise auf die isolierte DC-DC-Stufe des Batterieformierungssystems angewendet. Zwei typische Topologien sind Halbbrücken-LLC- und ZVS-phasengeschaltete Vollbrückenwandler. Je nach Controller-Auswahl empfiehlt Infineon die 600 V CoolMOS™ CFD7, P7 und C7 als Primärseiten-MOSFETs für LLC.

Der Steuerungsmechanismus des Formationssystems weist die nicht isolierten Konverter an, ihre jeweiligen Batterien zu laden, und startet in der Regel den Entladeprozess zur gleichen Zeit wie andere nicht isolierte Konverter des Systems. Je nach Schaltfrequenz des Konverters kann der Entwickler die am besten geeignete Infineon-Familie wählen. StrongIRFT™ wird empfohlen, wenn die Schaltfrequenz gleich oder unter 100 kHz liegt, während OptiMOS™ 5 bei Schaltfrequenzen über 100 kHz geringere Leistungsverluste bietet.

Das Energiespeichersystem löst das Problem der Zweitnutzung von Batterien aus Elektrofahrzeugen.

Energiespeicherung war schon immer ein unverzichtbarer Bestandteil der Stromerzeugung, -übertragung, -verteilung und -nutzung. Mit dem kontinuierlichen Wachstum der erneuerbaren Energieerzeugung durchläuft die Energielandschaft enorme Veränderungen. Energiespeichersysteme (ESS) bieten eine Vielzahl technischer Methoden, um Angebot und Nachfrage zu steuern, eine flexiblere Energieinfrastruktur zu schaffen und sowohl Energieversorgern als auch Verbrauchern Kosteneinsparungen zu ermöglichen. Batteriebasierte ESS-Technologie kann innerhalb weniger Sekunden auf Stromausfälle reagieren und erneuerbare Energien von nahegelegenen Solar- oder Windkraftanlagen nutzen.

Infineons einzigartige Expertise in der Energieerzeugung, -übertragung, -umwandlung und dem Batteriemanagement macht das Unternehmen zum perfekten Partner, um ESS-Lösungen in Bezug auf Effizienz, Innovation, Leistung und optimale Kosten voranzubringen. Infineons einzigartige Expertise und Produktportfolio bieten hochmoderne Lösungen, die den Entwicklungsaufwand reduzieren, die Systemleistung verbessern, die Markteinführungszeit verkürzen und die Systemkosten optimieren.

Die drei Haupttrends von ESS sind Siliziumkarbid (SiC), der multi-modulare Ansatz mit Second-Life-Batterien und die Entwicklung des Batteriemanagementsystems (BMS). Das neueste Mitglied der Siliziumkarbid-Produktpalette von Infineon, die CoolSiC™ MOSFET 650 V Familie, ist das Ergebnis des fortschrittlichsten und optimierten Graben-Halbleiterprozesses, der kompromisslos darauf abzielt, die geringsten Verluste in Anwendungen und die höchste Zuverlässigkeit im Betrieb zu erreichen.

In einer Ära, in der elektrische Fahrzeuglösungen immer beliebter werden, ist absehbar, dass die Welt in Zukunft mit einer großen Anzahl gebrauchter Batterien aus Elektrofahrzeugen umgehen muss. Einer der Hauptvorteile modularer Kaskaden- und Mehrpegelarchitekturen besteht darin, dass sie die Zweitnutzung von Batterien ermöglichen. Beispielsweise eignen sie sich für Batterien, die das Ende ihres Lebenszyklus erreicht haben und in Elektrofahrzeugen nicht mehr verwendet werden können. Um das Problem der Entsorgung von Batterien in Elektrofahrzeugen zu lösen, hat Infineon modulare Kaskaden- und Mehrpegelarchitekturen entwickelt, die die Vorteile von hocheffizienten und Niederspannungs-MOSFETs wie der marktführenden OptiMOS™-Familie von Infineon nutzen.

Das Batteriemanagementsystem implementiert zwei Hauptfunktionen in ESS-Anwendungen, nämlich Batterie-Schutz und Batterie-Überwachung. Infineons Batteriemanagement-Produktlinie und Referenzdesign können dazu beitragen, effizientere, langlebigere und zuverlässigere batteriebetriebene Anwendungen erfolgreich zu entwickeln. Infineons TLE9012AQU ist ein Multi-Kanal-Batterieüberwachungs- und Ausgleichssystem-IC, das für Lithium-Ionen-Batteriepacks in Automobil-, Industrie- und Verbraucheranwendungen entwickelt wurde. Der TLE9012AQU implementiert vier Hauptfunktionen: Zellspannungsmessung, Temperaturmessung, Zellausgleich und isolierte Kommunikation mit dem Haupt-Batteriecontroller. Darüber hinaus bietet der TLE9012AQU die notwendigen Diagnosetools, um die ordnungsgemäße Funktion der kontrollierten Batterie sicherzustellen und Fehler zu erkennen.

Bidirektionaler DC/DC-Wandler für photovoltaische Energiespeicherung

Im 21. Jahrhundert ist elektrische Energie zu einem unverzichtbaren Bestandteil unseres Lebens und unserer Arbeit geworden. Die traditionelle Primärenergie, die hauptsächlich von Menschen genutzt wird, ist fossile Energie wie Öl, Erdgas und Kohle. Fossile Energien sind im Zuge der schnellen Entwicklung und des Fortschritts der menschlichen Gesellschaft sowie der Wissenschaft und Technik über mehr als 100 Jahre hinweg allmählich erschöpft worden.

Zusätzlich zu den Auswirkungen der Energiekrise führt die Nutzung traditioneller Primärenergie zur Erzeugung von Elektrizität dazu, dass große Mengen an sauren Gasen wie CO₂, SO₂ und NOx in die Atmosphäre abgegeben werden, was die Menge an saurem Regen weltweit erhöht und den Treibhauseffekt verursacht. Die Verbrennung traditioneller Energie zur Stromerzeugung verursacht zudem schwere Smogbelastungen, die Pflanzen und den menschlichen Körper schädigen.

Solarenergie im Bereich der grünen Energie ist ein wichtiger Schlüssel zur Lösung des Energieproblems. Es gibt zwei Hauptstrukturen des photovoltaischen Energiespeichersystems: MPPT + bidirektionaler Buckboost + PCS, MPPT + DC/DC + PCS. Der Unterschied zwischen ihnen besteht darin, dass das Ende des bidirektionalen Buckboost mit einer Hochvoltbatterie verbunden ist, während das Ende des bidirektionalen DC/DC mit einer Niedervoltbatterie verbunden ist.

Ein bidirektionaler DC/DC-Wandler ist ein Gleichstromwandler mit Zweiquadrantenbetrieb. Die Polarität der Eingangs- und Ausgangsspannung bleibt unverändert, während die Richtung des Eingangs- und Ausgangsstroms geändert werden kann. Allgemein gesagt, können bidirektionale DC/DC-Wandler in isolierte und nicht isolierte Typen unterteilt werden. Isolierte bidirektionale DC/DC-Wandler werden häufig eingesetzt, und die Schaltungstopologie bietet viele Umsetzungsformen.

Derzeit verwendet die bidirektionale DC/DC-Schaltung des Photovoltaik-Energiespeicherteils meist die CLLC-Umwandlungsschaltung und eine phasenverschobene Vollbrückentopologie. Die meisten Leistungskomponenten in DC/DC sind IGBT, und die Schaltfrequenz wird auf etwa 20 kHz geregelt. Arrow Electronics und Chip-Hersteller haben das Design des DC/DC-Teils mit einem reinen SIC-System entwickelt, das eine Schaltfrequenz von 200 kHz und einen Wirkungsgrad von 96 % erreichen kann.

Arrow Electronics hat ein bidirektionales Leistungskonverter-Referenzdesign für Energiespeicher vorgestellt, das eine Totem Pole PFC + CLLLC-Topologie umfasst. Es arbeitet mit einer hohen Schaltfrequenz und verwendet SiC-MOSFETs, um eine hohe Effizienz zu erzielen sowie Größe und Gewicht zu reduzieren. Es kann in Hochleistungsladesystemen wie USV- und Solarenergiesystemen eingesetzt werden. Dieses Referenzdesign kann Anwender dabei unterstützen, die Entwicklung von SiC-MOSFET-Systemen zu beschleunigen und den Produktentwicklungszyklus erheblich zu verkürzen.

Im Vergleich zum IGBT-Design weist das Referenzdesign des bidirektionalen Leistungswandlers von Arrow Electronics eine 50%ige Größenreduzierung auf, verfügt über eine hohe Ausgangsleistung (maximal 6,6 kW) und hohe Effizienz (> 93%), unterstützt digitale Steuerung mit bidirektionalem Ausgang, verstärkte Isolation und einsatzbereite Firmware, unterstützt bidirektionale AC/DC-Leistungsumwandlung, eine maximale Ladeleistung von bis zu 6,6 kW und arbeitet mit einer AC-Eingangsspannung von 200Vac bis 265Vac 50Hz, einer DC-Ausgangsspannung von 60Vdc bis 90Vdc, einer maximalen Wechselrichter-Leistung von bis zu 6,6 kW, einem Wechselrichter-Nenneingang von 80Vdc und einem Wechselrichter-Nennausgang von 220Vac 50Hz.

Demonstrationsplatine für hocheffizientes LLC-Leistungsmodul

Das EPC9149-Demoboard, eingeführt von EPC, ist ein 1-kW-LLC-Wandler mit 48 V Eingang und 12 V Ausgang, der als Gleichstromtransformator mit einem festen Umwandlungsverhältnis von 4:1 genutzt werden kann. Es verfügt über 100 V EPC2218 und 40 V EPC2024 GaN-FETs, uP1966A und LMG1020 Gate-Treiber sowie einen Microchip dsPIC33CK32MP102 16-Bit-Digitalcontroller. Das EPC9149-Demoboard erreicht einen Spitzenwirkungsgrad von 97,5 % bei 400 W, einen Wirkungsgrad von 96,7 % bei Volllast @ 12 V, einem Ausgangsstrom von 83,3 A, einer Größe von 22,9 × 58,4 mm (0,90 × 2,30 Zoll), einem flachen Design, einer Gesamtdicke des Wandlers von 10 mm ohne Kühlkörper, einem maximalen Temperaturanstieg von 70 ℃ @ 12 V, wenn das Kühlkörper-Kit installiert ist, einem Ausgangsstrom von 83,3 A, einer festen Schaltfrequenz von 1 MHz, einem sanften Hochlauf zur Unterstützung von voll resistiver Last und einer hohen Leistungsdichte (ohne Pins) von 1227 W/in³.

Dieser Konverter dient ausschließlich Evaluierungszwecken und ist kein voll funktionsfähiger Konverter und kann nicht im Endprodukt verwendet werden. Der EPC9149 verfügt über eine Primärseitige Vollbrückenkonfiguration sowie eine Sekundärseitige Dual-Mittelanzapfungs-Halbbrückenkonfiguration, basierend auf den eGaN-FETs EPC2218 und EPC2024. Die EPC9149-Platine enthält außerdem Hilfsstromversorgungen für Logik und Gate-Treiber, die von der Haupt-Eingangsspannung der LLC-Platine gespeist werden. Die Eingangs- und Ausgangsspannungen der EPC9149-Platine werden über Widerstandsteiler gemessen und dem Mikrocontroller für Steuerungszwecke zurückgeführt. Das Modul verwendet einen individuell angepassten Transformator-Kern aus ML91S-Material von Hitachi Metals. Der Kernverlust ist niedrig bei Betrieb mit hoher Frequenz. Zwei Halbkernteile werden von oben und unten in die Platine eingesetzt, und passende Abstandshalter werden in der Mitte hinzugefügt, um die erforderliche Magnetisierungsinduktivität zu erzeugen.

Das Wärmemanagement ist sehr wichtig, um einen korrekten und zuverlässigen Betrieb sicherzustellen, und das EPC9149 wird für Bench-Tests bei normaler Umgebungstemperatur verwendet. Das Hinzufügen eines Wärmeverteilers oder Kühlkörpers sowie erzwungene Luftkühlung können den Nennstrom von Leistungsbauelementen erheblich erhöhen. Dennoch ist darauf zu achten, die absolute maximale Chiptemperatur von 150℃ nicht zu überschreiten.

Das EPC9149 LLC-Leistungsmodul verfügt über einen Microchip DSPIC33CK32MP102 Digital Signal Controller (DSC). Dieses 100 MHz Single-Core-Gerät ist mit einem dedizierten Peripheriemodul für Anwendungen in Schaltnetzteilen (SMPS) ausgestattet. Zu den Funktionen gehören eine umfangreiche 4-Kanal- (8x Ausgang), 250-ps-Auflösung Pulsweitenmodulation (PWM)-Logik, drei Analog-Digital-Wandler (ADC) mit 3,5 Msps, drei Analog-Komparatoren mit 15-ns-Ausbreitungszeitverzögerung und integrierten Digital-Analog-Wandlern (DAC), Unterstützung für die Rampensignalgenerierung, drei Operationsverstärker sowie ein Digital Signal Processing (DSP)-Kern mit eng gekoppelten Datenpfaden für leistungsstarke Echtzeit-Steuerungsanwendungen. Die verwendeten Geräte sind die kleinsten Varianten der dsPIC33CK-Single-Core- und der dsPIC33CH-Dual-Core-DSC-Familie. Die in diesem Design verwendeten Geräte sind in einem 28-Pin 4x4 mm UQFN-Gehäuse untergebracht und für Umgebungstemperaturen von -40℃ bis +125℃ spezifiziert.

Fazit

Das Leistungswandlungssystem bildet die Grundlage aller elektronischen Designs, indem es den Stromtyp umwandelt, Spannungsänderungen durchführt, um die Anforderungen verschiedener Anwendungen zu erfüllen. Die verschiedenen in diesem Artikel vorgestellten Lösungen, die sich hauptsächlich auf den Aufbau von Batteriesystemen und Photovoltaikanlagen konzentrieren, gehören derzeit zu den gefragtesten Anwendungsrichtungen. Das Marktpotenzial ist enorm beeindruckend und verdient eine weitergehende eingehende Betrachtung.