Anwendungen und Lösungen von Batteriespeichersystemen

Energiespeichersysteme (ESS) spielen eine entscheidende Rolle beim Aufbau einer kohlenstoffarmen Welt und gehören zu den am schnellsten wachsenden industriellen Anwendungen. Mehrere Faktoren treiben dieses Wachstum voran, darunter aggressive Politiken, die mit Dekarbonisierungszielen in verschiedenen Ländern übereinstimmen, die steigende Nachfrage nach Speicherung und Steuerung erneuerbarer Energiequellen wie Solarenergie und die kontinuierliche Kostensenkung von Lithium-Ionen-Batterien. Dieser Artikel stellt die Architektur von ESS vor, zusammen mit den Produkten und Lösungen, die von onsemi bereitgestellt werden.

ESS sind eine viel erforschte Anwendung, und sie speichern Energie durch Methoden wie elektrochemische Speicherung (Batterien), mechanische Speicherung (Druckluft) und thermische Speicherung (Salzschmelze). Dieser Artikel wird sich auf Batteriespeichersysteme konzentrieren, die an Solarwechselrichtersysteme angeschlossen sind.

Batterie-Energiespeichersysteme (BESS) werden sowohl im Wohn- als auch im Gewerbebereich häufig eingesetzt. In Wohnanwendungen können BESS als Notstromquelle dienen, um unerwartete Stromausfälle zu verhindern und Kosten zu sparen, indem Energie von wenig wertvollen zu wertvollen Zeiträumen verschoben wird. In größeren gewerblichen Systemen können BESS die kostenlose, saubere Energie, die von Solarwechselrichtern erzeugt wird, effizient speichern und verwalten und so geringe CO2-Emissionen erreichen. Ein weiteres wichtiges Merkmal von BESS heute ist die Fähigkeit, den Netzdruck zu verringern, der durch die steigende Nachfrage nach Ladestationen für Elektrofahrzeuge verursacht wird.

Ein BESS besteht aus vier Teilen: Batteriepack, Battery Management System (BMS), Power Conversion System (PCS) und Energy Management System (EMS) und ist sowohl für kommerzielle als auch für private Anwendungen geeignet. Der Batteriepack besteht aus Batteriezellen, mit Hochspannungsmodule, die in Racks oder Bänken integriert sind, um eine höhere Kapazität zu erreichen. Typischerweise liegt der Lade- und Entladespannungsbereich je nach Batteriespannung und Schaltungstopologie zwischen 50V und 1100V. Das BMS ist ein elektronisches System, das wiederaufladbare Batterien verwaltet, indem es sicherstellt, dass sie innerhalb des Safe Operating Area (SOA) arbeiten, die Betriebszustände überwacht und Echtzeitdaten berechnet und meldet, um eine längere Betriebsdauer zu erreichen. Das PCS ist ein weiteres wichtiges Untersystem, das den Batteriepack zum Netz und/oder Lasten für die bidirektionale Energiewandlung verbindet. Es bestimmt weitgehend die Kosten, Größe und Leistung des Systems. Das EMS ist ein softwarebasiertes, computergestütztes System, das von Netzbetreibern verwendet wird, um die Leistung von Erzeugungs- oder Übertragungssystemen zu überwachen, zu steuern und zu optimieren.

Im Vergleich zu IGBTs bieten SiC-Bauelemente mehr Vorteile in Hochspannungs- und Hochstromanwendungen, wie zum Beispiel das Ermöglichen von Hochfrequenzschaltungen. Während IGBTs nach wie vor die bevorzugte Wahl für das BESS-Design sind, kann die Kombination von SiC-Bauelementen in bestimmten Abschnitten eine herausragende Leistung erbringen, unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Schaltstrategien. Beispielsweise kann in einem bidirektionalen Wechselrichter mit A-NPC, bei dem eine spezielle Schaltstrategie eine hohe Schaltfrequenz für die inneren Schalter erfordert, SiC-Bauelemente für die inneren Beine ausgewählt werden, um Schaltverluste zu reduzieren, während die anderen Schalter weiterhin IGBTs mit niedrigem VCE_(SAT) verwenden können, um die Kosten im Rahmen zu halten.

Die dreistufige I-NPC und dreistufige ANPC sind gängige bidirektionale Topologien in PCS, die entwickelt wurden, um der steigenden Ausgangsleistung gerecht zu werden. Im Vergleich zu zweistufigen Topologien erfordern dreistufige Topologien mehr Komponenten, Ansteuersignale und kompliziertere Steuerstrukturen. Die Vorteile sind jedoch offensichtlich: Das Ziel der dreistufigen Konfiguration ist es, Leistungsverluste und Stromwelligkeit durch halbierte angelegte Spannung zu reduzieren sowie die EMI-Leistung zu verbessern.

Das NXH800H120L7QDSG ist onsemis neues QDual3 1200 V 800 A Half-Bridge-IGBT-Leistungsmodul. Der integrierte Field Stop Trench 7 IGBT und Gen.7-Diode bieten geringere Leitungs- und Schaltverluste und ermöglichen es Designern, hohe Effizienz und ausgezeichnete Zuverlässigkeit zu erreichen. Durch das Parallelschalten mehrerer QDual3-Module kann ein dreistufiges ANPC-Modul gebildet werden, mit einer Systemausgangsleistung von 1,6 MW bis 1,8 MW.

DESAT (Desaturation) ist eine der wichtigen Schutzfunktionen in der Hochleistungsumwandlung. Sie hilft, IGBTs/MOSFETs vor Schäden durch Kurzschlüsse zu schützen, indem sie die Schalter so schnell wie möglich abschaltet. Der NCD57000 integriert die Desaturations-Erkennungsfunktion, und wenn der V_CESAT den Zielwert erreicht, wird der interne STO (Soft Turn-Off) MOSFET aktiviert, um den Gate-Kondensator zu entladen, wodurch Überspannungsbelastungen und Verluste durch hohe dV/dt reduziert werden. Darüber hinaus bietet dieser einkanalige Gate-Treiber einen hohen Source/Sink-Strom (4 A/6 A), 5 kVrms galvanische Trennung sowie weitere Schutzfunktionen wie UVLO und aktiven Miller-Halter.

Unten sind einige Schlüsselprodukte von onsemi für Anwendungen von Energiespeichersystemen mit Batterien aufgeführt. Zuerst werden Hilfsstromversorgungen typischerweise unter Verwendung der QR (Quasi-Resonant) Flyback-Topologie mit Primärseitenregelung entworfen. Der NCP1362 ist ein PWM-Controller auf der Primärseite für leistungsschwache Offline-SMPS. Der Hauptvorteil der Verwendung des NCP1362 besteht darin, dass er keine optokopplungsgesicherte Rückmeldung benötigt, was die Zuverlässigkeit der Stromversorgung verbessert. Er schaltet den Schalter auch bei niedrigem VDS ab, um die Effizienz zu verbessern und die Hitze zu reduzieren. Der NCP1362 ist ein primärseitiger QR-Flyback-Controller, der keine sekundären Rückkopplungsschaltungen benötigt und das Kontrolliert QR-Peak-Strom im Valley-Lockout-Modus durchführen kann, mit optimierter Effizienz bei geringer Last und Standby-Leistung.

Ein verteiltes Energiespeichersystem könnte aus Hunderten von PCS und Steuereinheiten bestehen. Moderne Kommandozentralen benötigen komplexere Konnektivitätslösungen, um den steigenden Anforderungen an Knoten und Rechenleistung gerecht zu werden. Der NCN26010 von onsemi ist einer der ersten Controller auf dem Markt, der den 802.3cg-Standard erfüllt. Er bietet eine exzellente Störfestigkeit, die das Störfestigkeitsniveau der IEEE 802.3cg übertrifft, mit einer Reichweite von über 50 Metern und einer Reduzierung der erforderlichen Verkabelung um bis zu 70%, wodurch die Installationskosten um bis zu 80% gesenkt werden und die Softwarewartungskosten geringer ausfallen.

Der EliteSiC 1200 V MOSFET ist eine neue Serie von 1200 V M3S-Planar-SiC-MOSFETs, die für den Betrieb bei hohen Temperaturen optimiert ist und mit verbesserter parasitärer Kapazität für den Hochfrequenzbetrieb ausgestattet ist. Bei V_GS = 18 V beträgt R_DS(ON) = 22 mΩ, mit einer extrem niedrigen Gate-Ladung (Q_G(TOT)) = 137 nC. Er bietet schnelles Schalten, geringe Kapazität (C_OSS = 146 pF) und verwendet ein Vier-Pin-Gehäuse mit Kelvin Source.

Der Field Stop VII 1200 V IGBT ist eine neue Serie von 1200 V Trench Field Stop VII IGBTs mit Trench Narrow Mesas und Protonenimplantat-Mehrfachpuffern, um schnelle Schaltzeiten und niedrige V_CE(SAT)-Typen zu gewährleisten. Er verbessert die parasitäre Kapazität für Hochfrequenzbetrieb und ist in gängigen Gehäusen verfügbar. Die Zielanwendungen sind Energieinfrastruktur und Fabrikautomatisierung.

Das Field Stop VII IGBT PIM NXH800H120L7QDSG bietet hohe Effizienz und Steuerbarkeit mit Field Stop Trench 7 IGBT und Gen.7 Dioden. Es unterstützt eine 1200 V, 800 A 2-in-1 Halbbrücken-Konfiguration und bietet eine 10% höhere Leistungsdichte und 10% geringere Energieverluste im Vergleich zu führenden Konkurrenzprodukten. Es verfügt zudem über einen niedrigen Wärmewiderstand, eine isolierte Grundplatte, NTC-Thermistoren, lötbare Pins und bei Bedarf Press-Fit-Pins, mit einer geringen induktiven Anordnung.

Bei der Auswahl eines Gate-Treibers ist es entscheidend, Faktoren wie die Stromantriebskapazität, Fehlererkennung, Störfestigkeit, Verzögerungszeit, Kompatibilität und mehr zu berücksichtigen. Allerdings sind nicht alle diese Faktoren für jede Anwendung gleichermaßen wichtig. Zum Beispiel sind die Ausgangscharakteristiken von SiC-MOSFETs, im Gegensatz zu IGBTs, eher wie ein variabler Widerstand und haben keinen Sättigungsbereich, was bedeutet, dass das normale Prinzip der Entsättigungserkennung nicht funktioniert. Eine Lösung besteht darin, Stromsensoren zur Erkennung von Überstrom oder Temperatursensoren zur Erkennung abnormaler Temperaturen zu verwenden.

Der NCP51561 ist ein zweikanaliger isolierter Gate-Treiber mit einem Spitzenstrom von 4,5A/9A Quelle/Senke. Er zeichnet sich durch eine typische Signallaufzeit von 36 ns aus, mit einem maximalen Verzögerungsabgleich von 5 ns, und unterstützt Ein- oder Zwei-Eingangsmodi über ANB. Er bietet eine galvanische Trennung von 5 kV und hat eine CMTI von ≥ 200 kV/μs. Das Bauteil ist in einem SOIC-16WB-Gehäuse mit einem Kriechweg von 8mm verfügbar.

Die NCD57080 / NCD57090 sind einkanalige isolierte Gatetreiber mit einem Spitzenstrom von 6,5A für Quelle/Senke. Sie bieten eine geteilte Ausgangsaktiver Miller-Klemme oder Versionen mit negativer Vorspannung, unterstützen 3,3V, 5V und 15V Logikeingänge und bieten 3,5 kV galvanische Isolation. Ihr CMTI beträgt ≥ 100 kV/μs. Der NCD57080 ist im SOIC-8 Gehäuse mit einer Kriechstrecke von 4 mm erhältlich, während der NCD57090 im SOIC-8WB Gehäuse mit einer Kriechstrecke von 8 mm erhältlich ist.

Der NCD57100 ist ein einkanaliger isolierter Gate-Treiber mit einem Spitzenstrom von 7A beim Laden/Entladen, UVLO und DESAT-Schutz. Er unterstützt einen breiten Vorspannungsbereich, einschließlich negativem VEE, und ist kompatibel mit 3,3V-, 5V- und 15V-Logikeingängen. Er bietet auch eine galvanische Trennung von 3,5 kV und hat eine CMTI von ≥ 100 kV/μs. Der Treiber wird in einem SOIC-16WB-Gehäuse mit einer Kriechstrecke von 8 mm geliefert.

In gängigen Topologien bidirektionaler AC-DC-Wandler zeichnet sich der dreiphasige Vollbrückenwandler durch einen einfachen Schaltkreis, einfache Steuerung und weniger Komponenten aus. Allerdings müssen die Schalter der vollständigen Busspannung und Spannungsspitzen standhalten und erfordern Transformatoren mit hoher Kapazität, was die Kosten und die Größe des Endsystems erhöht. Komponenten mit breitem Bandabstand werden bevorzugt, um THD und die Induktorgröße zu reduzieren.

Der einphasige/dreiphasige Totem-Pole-Wandler kann die Effizienz, EMI und THD verbessern und die Anzahl der Schaltvorgänge pro Zyklus reduzieren. Er hat weniger Schalter und eine höhere Leistungsdichte, benötigt jedoch Breitbandlückenkomponenten, um Rückstromverluste zu minimieren. Er weist auch Rauschsignale am Nulldurchgangspunkt und Gleichtaktstörungen auf.

Der dreiphasige Dreilevel-Wandler verwendet eine Dreilevel-Konfiguration, die die THD und die Spannungsbelastung auf bestimmten Schaltern reduzieren kann. Er erfordert mehr Gate-Treiber und eine komplexere Steuerung, bietet jedoch eine bessere Effizienz und höhere Kosten und ist eine bewährte Konfiguration in Solarwechselrichter-Designs.

In gängigen bidirektionalen DC-DC-Topologien kann der Buck-Boost-Wandler den Lade-/Entlade-Spannungsbereich erweitern, um die Batterienutzung zu verbessern. Er kann bidirektionale Leistungswandlung beim Laden und Entladen erreichen, hat weniger Bauteile und ist einfach zu steuern. Die Auswahl der Komponenten kann von der Batteriespannung abhängen.

Der Dual-Active-Bridge-Wandler kann mit Phasenverschiebungsmodulation betrieben werden, um Zero Voltage Switching (ZVS) bei hohen Lasten zu erreichen. Ungleichmäßige Ströme in den beiden Stufen können unerwartete Verluste verursachen. Um die erwartete Effizienz zu erreichen, sind komplexe Entwürfe für Phasenverschiebung, Transformator und Frequenz erforderlich. Bei Hochfrequenz-/Hochspannungsbetrieben werden Bauelemente mit breitem Bandabstand bevorzugt, da sie die Ausgangsstromwelligkeit reduzieren und somit die Größe des Ausgangskondensators minimieren. Dies ist die bevorzugte Wahl für Hochleistungsanwendungen, die eine isolierte Umwandlung zur Sicherheit unterstützen.

Der CLLC-Resonanzwandler kann durch Hinzufügen eines Kondensators eine bidirektionale Umwandlung basierend auf LLC erreichen. Durch komplizierte Frequenzmodulation und passive Selektion erzielt er in beiden Richtungen hohe Effizienz. Eine zusätzliche DC-DC-Wandlung ist erforderlich, um einen breiten Ausgangsbereich zu erreichen und eine gute Effizienz sicherzustellen. Er hat über den gesamten Lastbereich hinweg eine bessere Effizienz als DAB und unterstützt eine isolierte Umwandlung für Sicherheit.

onsemi bietet eine komplette Produktreihe für Batteriespeichersysteme an, einschließlich bidirektionaler AC-DC- und bidirektionaler DC-DC-Wandler, isolierter Gate-Treiber, Leistungsmanagement, Signalaufbereitung und -steuerung, Logik und Speicher, Schnittstellen und mehr, um den Bedarf der Kunden an One-Stop-Shopping zu erfüllen.

Batterie-Energiespeichersysteme spielen eine entscheidende Rolle in modernen Energiestrukturen. Sie erhöhen nicht nur die Nutzungseffizienz erneuerbarer Energien effektiv, sondern bieten auch zuverlässige Unterstützung für die Netzstabilität und Stromflexibilität. Mit kontinuierlicher technologischer Innovation verbessern sich Sicherheit, Lebensdauer und Kosteneffizienz von Energiespeichersystemen stetig, was ihre weitverbreitete Anwendung in Wohn-, Gewerbe-, Industrie- und großmaßstäblicher Strominfrastruktur fördert. onsemi bietet eine komplette Produktlinie, die für die Gestaltung von Batterie-Energiespeichersystemen benötigt wird, welche die Designgeschwindigkeit verwandter Anwendungsprodukte beschleunigt und dabei hilft, Marktchancen zu nutzen.