Die Rolle von Thermistoren und DC-DC-Wandlern in Energiespeichersystemen

In modernen Energiespeichersystemen (ESS) sind effiziente und stabile Betriebsbedingungen entscheidend für das Energiemanagement und Anwendungen. Mit der rasanten Entwicklung erneuerbarer Energien und dem zunehmenden Fokus auf Energieausnutzungseffizienz wird ESS zu einer unverzichtbaren technischen Unterstützung für die Energiewende. Innerhalb dieses Systems spielen Thermistoren und DC-DC-Wandler als kritische Komponenten von ESS unverzichtbare Rollen bei der Temperaturüberwachung bzw. Energieumwandlung. Dieser Artikel wird die Schlüsselrollen und technischen Eigenschaften von Thermistoren und DC-DC-Wandlern in ESS sowie die von Murata eingeführten Lösungen untersuchen.

ESS wird hauptsächlich zur Speicherung elektrischer Energie und zur Bereitstellung einer stabilen Stromversorgung verwendet, wobei die Batterieeinheit die Kernkomponente ist. Als hochsensibler Temperatursensor spielt der Thermistor eine entscheidende Rolle im Batteriemodul von ESS.

Die meisten in ESS verwendeten Batterien (wie Lithium-Ionen-Batterien) sind sehr temperaturempfindlich. Thermistoren überwachen die Temperatur von Batteriepaketen in Echtzeit und stellen sicher, dass die Batterien innerhalb eines sicheren Temperaturbereichs arbeiten. Zudem erzeugen Batterien während des Lade- und Entladevorgangs Wärme, die sich bei übermäßiger Ansammlung zu einem thermischen Durchgehen oder sogar zu Bränden entwickeln kann. Thermistoren können Schutzschaltungen auslösen, wenn die Temperatur einen festgelegten Schwellenwert überschreitet, um die Stromversorgung abzuschalten oder die Leistung zu reduzieren. In Umgebungen mit niedrigen Temperaturen kann die Batterieleistung abnehmen oder es kann sogar zu Schäden kommen; Thermistoren können diese niedrigen Temperaturzustände überwachen und das System veranlassen, Vorheizfunktionen zu aktivieren.

Auf der anderen Seite können Thermistoren auch die Batterieperformance optimieren, da die Lade- und Entladecharakteristiken von Batterien eng mit der Temperatur verknüpft sind. Temperaturdaten, die von Thermistoren bereitgestellt werden, können dem System helfen, Lade- und Entladeparameter zu optimieren, wodurch die Energieausnutzungseffizienz verbessert wird. Durch präzise Temperaturregelung helfen Thermistoren, durch Überhitzung oder Unterkühlung verursachte Batteriealterung zu verhindern, und verlängern somit die Lebensdauer der Batterie.

Thermistoren spielen eine entscheidende Rolle bei der Fehlerdiagnose und der prädiktiven Wartung. Wenn die Temperatur einer bestimmten Zelle oder eines bestimmten Bereichs abnormal ansteigt, können Thermistoren rechtzeitige Warnungen ausgeben, um zu verhindern, dass das Problem eskaliert. Darüber hinaus können die von Thermistoren erfassten Temperaturdaten für historische Analysen verwendet werden, um Alterungstrends von Batterien oder potenzielle Fehlerpunkte vorherzusagen und somit eine Grundlage für betriebliche und Wartungsentscheidungen zu bieten.

Thermistoren helfen auch, sich an die unterschiedlichen Szenarien der Energiespeicherung anzupassen, da ESS sowohl in Innenräumen als auch im Freien mit erheblichen Umwelttemperaturschwankungen eingesetzt werden können. Die hohe Empfindlichkeit und der breite Temperaturmessbereich von Thermistoren ermöglichen es ihnen, sich verschiedenen Szenarien anzupassen. In erneuerbaren Energiebereichen wie Wind- und Photovoltaikenergie helfen Thermistoren in ESS, Batterieschwankungen der Temperatur zu verwalten, was die Stabilität und Zuverlässigkeit des Systems gewährleistet.

Thermistoren sind Halbleiterbauelemente, deren Widerstandswert sich mit der Temperatur ändert. Sie werden hauptsächlich in der Temperaturerfassung und in Stromregelungsanwendungen eingesetzt und können als Temperatursensoren in ESS-Anwendungen dienen. Abhängig davon, wie sich ihr Widerstandswert mit der Temperatur ändert, werden Thermistoren in zwei Haupttypen unterteilt: Positive Temperature Coefficient (PTC)-Thermistoren und Negative Temperature Coefficient (NTC)-Thermistoren.

PTC-Thermistoren erhöhen ihren Widerstandswert, wenn die Temperatur steigt, und sie werden hauptsächlich für Überstromschutz, Temperaturschalter und selbstregenerierenden Schutz von Heizgeräten eingesetzt. In elektronischen Geräten erhöht der PTC-Thermistor, der in Serie mit der geschützten Schaltung geschaltet ist, seinen Widerstandswert durch Eigenerwärmung, wenn der Strom den Nennwert überschreitet, und unterdrückt so den übermäßigen Strom. Zusätzlich können PTC-Thermistoren als Temperaturschalter fungieren. Wenn die Systemtemperatur einen vorgegebenen Wert überschreitet, erhöht sich der PTC-Widerstand und löst die entsprechende Schaltaktion aus.

NTC-Thermistoren hingegen verringern ihren Widerstandswert, wenn die Temperatur steigt. Diese Eigenschaft kann genutzt werden, um die Temperatur elektronischer Komponenten oder Geräte zu überwachen und deren ordnungsgemäßen Betrieb sicherzustellen. In einigen Anwendungen werden NTC-Thermistoren verwendet, um Temperaturänderungen in Geräten auszugleichen und eine stabile Leistungsfähigkeit zu gewährleisten.

Thermistoren sind allgegenwärtig in unserem täglichen Leben. Sie werden nicht nur als Thermometer und Temperatursensoren in Klimaanlagen verwendet, sondern auch als Temperaturregler in Smartphones, elektrischen Wasserkochern und Bügeleisen. Darüber hinaus finden Thermistoren breite Anwendung in verschiedenen Leistungsgeräten zur Stromregelung. Kürzlich, mit der zunehmenden Elektrifizierung von Fahrzeugen, werden Thermistoren umfassend in Elektrofahrzeugprojekten eingesetzt, wie zum Beispiel in eingebauten Batteriepaketen und LiDAR. Darüber hinaus finden Thermistoren breite Anwendungen in verschiedenen Industrie- und Energieprojekten, einschließlich EV-Schnellladeinfrastruktur, Solarwechselrichtern, Energiespeicherwechselrichtern und Batteriepaketen.

Murata hat verschiedene Arten von Thermistoren eingeführt, um den Anforderungen von ESS-Anwendungen gerecht zu werden. Die Thermistorprodukte von Murata sind in zwei Hauptserien unterteilt: NTC-Thermistoren und PTC-Thermistoren. Die NTC-Thermistorserie umfasst den NCU für Anwendungen mit hoher Zuverlässigkeit, den NCP für Anwendungen im Verbraucherbereich und den NCG für die Montage mit leitfähigem Klebstoff. Die PTC-Thermistorserie bietet PRF für Überhitzungsschutz und PRG für Überstromschutz. Unter diesen wird die NCU-Serie häufig in Automobil- und Energieprojekten eingesetzt.

Die NCU-Serie von Murata ist ein NTC-Thermistor vom SMD-Typ. Dank ihrer einzigartigen Struktur bieten die externen Kupferelektroden eine hohe Zuverlässigkeit, die eine flexible Anwendung in verschiedenen anspruchsvollen Temperaturszenarien ermöglicht. Es ist ein Flaggschiffprodukt unter den Thermistoren von Murata und eignet sich für hochzuverlässige Märkte wie Automobil, Industrie und Energie. Es ermöglicht die Erfassung eines breiten Temperaturbereichs und Temperaturkompensationsfunktionen.

Heutzutage erscheinen ESS-Systeme hauptsächlich in Form modularer Lösungen. In der Regel umfassen ESS-Systeme Batteriemodule, Managementmodule (thermisches Management/Energiemanagement/Batteriemanagement) und Leistungswandlermodule. Zum Beispiel wird im Leistungswandlermodul des ESS-Systems hauptsächlich ein MPPT- oder 3P T-Wechselrichter verwendet, um Energieumwandlung und -übertragung bereitzustellen. Es gibt eine große Anzahl von SiC- oder GaN-Mos-Transistoren. Der Treiberstrom dieser Schalttransistoren ist größer und der Treibervorgang muss effizienter sein, sowie eine schnelle Gatterspannungsumschaltung, um Energieverluste aufgrund von Verzögerungen zu reduzieren.

Ein vollständiges ESS-Managementmodul enthält normalerweise eine große Anzahl von CAN-Bus-, RS485-, RS232-Schnittstellen sowie MCU, Zellüberwachungs-Chips usw. Solche Schnittstellen und Chips erfordern in Anwendungen ebenfalls eine elektrische Isolation. Zur Beantwortung dieser beiden Arten von tatsächlichen Bedürfnissen bietet Murata Gate-Isolations-Treibermodule und Lösungen für Schnittstellen-Isolationsmodule in flacher Bauweise als SMD-Typ an.

Murata bietet eine Reihe von isolierten DC-DC-Wandlern an, die speziell für Gate-Treiber-Schaltungen entwickelt wurden und für IGBT-, SiC-, MOS- und GaN-Produktlinien geeignet sind. Diese Wandler werden häufig in Anwendungen wie erneuerbare Energien, Bewegung und Steuerung, Mobilität sowie Gesundheitslösungen eingesetzt. Zu den Merkmalen gehören eine extrem niedrige Isolationskapazität von 3pF, optimierte bipolare Ausgangsspannung für IGBT/SiC- und MOS-Gate-Treiber, eine DC-Link-Spannungsfestigkeit von bis zu 3kV, Zuverlässigkeit gegen Teilentladungen und dv/dt-Immunität, die über 80kV/µs bei 1,6kV für längere Zeiträume aufrechterhält.

Murata hat außerdem isolierte DC-DC-Wandler kommerzialisiert, die auf GaN-Leistungshalbleiter der nächsten Generation abgestimmt sind und hohe Frequenzen verarbeiten können und so zur schnellen Leistungsumwandlung beitragen, die in verschiedenen Anwendungen erforderlich ist. Die MGN1-Serie 1W Ausgangs-DC-DC-Wandler sind darauf ausgelegt, die für GaN-Gerätetreiber benötigten Spannungen bereitzustellen.

Die Geräte der MGN1-Serie bieten eine dünne, platzsparende, oberflächenmontierte Lösung, die sich leicht in raumbeschränkte Systeme integrieren lässt. Sie zeichnen sich zudem durch ein leichtes Design aus und bieten somit eine größere Flexibilität bei der Implementierung. Die verfügbaren Ausgangsspannungen sind +8V, +12V und +6/-3V.

Ein wesentliches Merkmal der MGN1-Serie von DC-DC-Wandlern ist die ultraniedrige Isolationskapazität von 2,5 pF (typisch). Diese minimiert die transiente Kopplung am isolierten Gate und verhindert Signalverzerrungen. Darüber hinaus trägt dies zur Minderung von EMI-Problemen im System bei. Mit einer Gleichtakt-Transientenfestigkeit (CMTI) von über 200 kV/μs sind diese Wandler äußerst geeignet für GaN-basierte Systeme mit hohen Schaltgeschwindigkeiten und gewährleisten die Integrität der Gatedriver-Signale. Ihre Widerstandsfähigkeit gegenüber Teilentladungen ermöglicht einen zuverlässigen Betrieb unter Hochspannungsbedingungen.

Die DC-DC-Wandler der MGN1-Serie von Murata unterstützen eine kontinuierliche Isolationsprüfspannung von 1,1 kV. Diese Wandler verfügen über einen Kriech- und Luftabstand von 6,5 mm und einen Betriebstemperaturbereich von -40 °C bis +105 °C, wodurch sie in anspruchsvollen Umgebungen installiert werden können. Zusätzlich beinhalten sie Mechanismen zum Schutz vor Verpolung und Kurzschluss.

Murata führt außerdem eine neue Generation der NXE- und NXJ-Serien von SMD-Modulen ein, die durch Miniaturisierung und platzsparende Kundenlösungen differenziert sind. Diese Module verfügen über integrierte Transformatoren und verwenden vollständig automatisierte Produktions- und Testsysteme für höhere Zuverlässigkeit und Kosteneffizienz. Sie unterstützen eine Löttemperatur von 260°C und entsprechen den AEC-Q104-Standards. Die NXE- und NXJ-Serien unterstützen isolierte Kommunikationsstromversorgungen, nutzen CAN-Bus-, RS485- und RS232-Schnittstellen und unterstützen AS-Interface (Asi), eine industrielle Netzwerk-Layer-Bus-Technologie. Diese Module bieten isolierte positive und negative Spannungen für analoge Schaltungen und eignen sich für industrielle Anwendungen wie Bildsignal- und Sensorisolation.

Die NXE-Serie unterstützt eine Isolationstestspannung von 3kVDC, 2,1-3pF (typische) Isolationskapazität und liefert 1W-2W Leistung. Der verstärkte Typ entspricht 125Vrms, während der Basistyp 250Vrms-Sicherheitszulassungen erfüllt. Sie übernimmt ein Open-Frame-SMD-Gehäuse und arbeitet in einem Temperaturbereich von -40°C bis 105°C. Die NXJ-Serie unterstützt eine Isolationstestspannung von 4,2kVDC, 2-2,5pF (typische) Isolationskapazität und liefert 1W-2W Leistung. Der verstärkte Typ entspricht 200 bis 250Vrms, und der Basistyp entspricht 250Vrms-Sicherheitszulassungen. Sie übernimmt ebenfalls ein Open-Frame-SMD-Gehäuse und arbeitet in einem Temperaturbereich von -40°C bis 110°C.

Thermistoren und DC-DC-Wandler spielen zentrale Rollen in der Temperaturüberwachung und im Energiemanagement innerhalb von ESS und bilden gemeinsam die technologische Grundlage für den effizienten, sicheren und intelligenten Betrieb von ESS. Die hohe Empfindlichkeit und Zuverlässigkeit von Thermistoren stellen sicher, dass Batteriemodule innerhalb des optimalen Temperaturbereichs arbeiten, wodurch Risiken im Zusammenhang mit Überhitzung und Unterkühlung reduziert und die Lebensdauer der Batterie verlängert wird. Gleichzeitig erreichen DC-DC-Wandler eine dynamische Energieverteilung zwischen verschiedenen Geräten durch präzise Spannungsregelung und effizienten Energietransfer und erfüllen so die vielfältigen Bedürfnisse des Systems. Murata bietet ein umfassendes Sortiment an Thermistoren und DC-DC-Wandler-Produkten, die ESS zu höherer Effizienz, Intelligenz und Nachhaltigkeit führen.