Soluciones de almacenamiento de energía residencial para mejorar la eficiencia energética

Las soluciones de almacenamiento de energía residencial (ESS) no solo se aplican en entornos industriales y de generación de energía, sino que también se han vuelto cruciales en el sector residencial, reflejando las aplicaciones y tendencias actuales del mercado. Si bien las soluciones ESS residenciales requieren menos potencia, las demandas de eficiencia y seguridad siguen siendo comparables a las de las aplicaciones industriales. Este artículo le presentará las tendencias del mercado en soluciones ESS residenciales y las características funcionales de las soluciones relacionadas con SiC introducidas por Arrow y Rohm.

Aplicaciones residenciales de ESS para el almacenamiento y gestión de energía eléctrica

El ESS residencial es una solución de almacenamiento de energía diseñada para su uso en entornos residenciales. Su propósito es almacenar y gestionar la energía eléctrica, con el objetivo de mejorar la eficiencia energética, reducir los costos de energía y fortalecer la estabilidad del suministro de energía. Las aplicaciones de ESS residencial generalmente incluyen sistemas de generación de energía solar (sistemas fotovoltaicos), donde los paneles solares fotovoltaicos se instalan comúnmente en tejados u otros lugares adecuados para convertir la luz solar en energía eléctrica de corriente continua (DC).   El ESS también requiere un controlador de carga, que se encarga de monitorear la salida del sistema de generación de energía solar y controlar el flujo de energía eléctrica hacia el sistema de almacenamiento. Esto garantiza que la energía eléctrica generada por los paneles solares se almacene en la batería. La batería es el componente central del ESS, utilizada para almacenar la energía eléctrica generada por la energía solar durante el día y suministrarla por la noche o en días nublados. Las tecnologías de baterías comunes incluyen baterías de ion de litio (Li-ion) y baterías de plomo-ácido.   El ESS también requiere un inversor para convertir la corriente continua (DC) almacenada en la batería en corriente alterna (AC) para alimentar electrodomésticos e iluminación del hogar. Además, se utiliza un Sistema de Gestión Energética (EMS, por sus siglas en inglés) para monitorear el consumo de energía del hogar, los pronósticos meteorológicos, los precios de la electricidad y otra información. Este sistema optimiza el uso y almacenamiento de energía, controlando automáticamente los procesos de carga y descarga para garantizar una eficiencia energética óptima.   El ESS residencial también puede conectarse a la red eléctrica, permitiendo a las viviendas comprar electricidad cuando lo necesiten o vender el exceso de energía a la red cuando haya un excedente. Este flujo bidireccional de energía se conoce como "medición bidireccional". A través de sistemas de monitoreo, los propietarios pueden supervisar en tiempo real el estado operativo del sistema de energía, rastrear la generación y consumo de energía, y realizar ajustes operativos de forma remota. Esto incluye cambiar el modo de operación del sistema de almacenamiento de energía o configurar horarios de carga y descarga.   La arquitectura del ESS residencial se puede ajustar según los requerimientos y tecnologías específicas para garantizar un rendimiento y eficiencia óptimos. Este sistema ayuda a lograr autosuficiencia energética, conservación de energía y reducción de emisiones. Además, actúa como una fuente de energía de respaldo durante cortes en la red eléctrica.   Los requerimientos para aplicaciones de ESS residencial difieren de las aplicaciones industriales, principalmente debido a la menor demanda de potencia del ESS residencial, que generalmente requiere menos de 10 kW de potencia. Debe soportar conversión bidireccional de energía y, a menudo, utiliza topologías AC/DC de alta eficiencia con características de alta compatibilidad electromagnética, junto con topologías DC/DC de alta eficiencia y especificaciones de alta seguridad. El ESS residencial debe soportar un amplio rango de voltajes de barras colectoras (360V - 550V) y generalmente coloca la batería en el lado de corriente continua. Se requiere que la eficiencia del sistema supere típicamente el 90%, y es esencial la estabilidad confiable del sistema. Se pone énfasis en lograr una alta densidad de potencia para cumplir con los objetivos de reducción de tamaño y peso. Además, la reducción de costos es una consideración clave, y existen altas demandas en estándares de seguridad, compatibilidad electromagnética (EMC) y características de ruido.

Los dispositivos SiC exhiben un rendimiento superior en comparación con los dispositivos de silicio

Para cumplir con los requisitos mencionados anteriormente, es común utilizar Carburo de Silicio (SiC) para la conversión de energía. Esto se debe a que los dispositivos de SiC ofrecen ventajas significativas, mejorando la eficiencia del sistema bajo condiciones de alta corriente y alta temperatura. El alto campo de ruptura del material SiC permite que los dispositivos de SiC operen a voltajes más altos, proporcionando una mayor tolerancia al voltaje en comparación con los dispositivos de silicio. Esto hace que los dispositivos SiC sean particularmente útiles en aplicaciones de conversión de energía.   Además, los dispositivos de SiC exhiben una mayor movilidad electrónica, lo que los hace superiores en aplicaciones de alta frecuencia. Para aplicaciones como convertidores de alta frecuencia y amplificadores de potencia, los dispositivos de SiC ofrecen un mejor rendimiento. La conductividad térmica del SiC es tres veces mayor que la de los dispositivos de silicio, lo que permite tamaños y pesos más pequeños, aumentando así la densidad de potencia y optimizando los costos del sistema. Con una disminución en el costo por unidad de volumen, la energía puede ser convertida bidireccionalmente de manera segura y confiable. Esto lleva a alcanzar objetivos como reducir el volumen en un 50% y disminuir el costo por unidad de potencia, lo que implica que, para el mismo nivel de potencia, los dispositivos de SiC tienen un menor volumen y peso más ligero.   El material SiC es químicamente estable, mostrando una susceptibilidad muy baja a la corrosión por sustancias corrosivas. Esta propiedad hace que los dispositivos de SiC sean más adecuados para aplicaciones en entornos extremos. La alta movilidad de portadores de los dispositivos de SiC resulta en velocidades de conmutación más rápidas. Esto es beneficioso para reducir las pérdidas por conmutación, mejorar la eficiencia de conversión y mejorar las características dinámicas de los dispositivos.   La adopción de soluciones de almacenamiento de energía con SiC permite dimensiones de producto más pequeñas y un peso reducido. Facilita frecuencias de conmutación más altas y, debido al uso de dispositivos magnéticos más pequeños, se pueden emplear transformadores/inductores más compactos. Esto resulta en menores pérdidas y mejor disipación de calor. La misma potencia puede ser acomodada en un gabinete más pequeño en comparación con los IGBTs de silicio. En comparación con los IGBTs de silicio, el SiC ofrece el doble de densidad de potencia (W/kg), logrando una alta densidad de potencia. Puede utilizar topologías de convertidor bidireccional simples con menos controles de bucle, lo que resulta en una mayor eficiencia.   Los dispositivos de SiC presentan una menor resistencia en estado de conducción por unidad de volumen, lo que resulta en pérdidas de conducción reducidas. Exhiben bajas pérdidas en estado encendido durante el apagado, eliminando el fenómeno de arrastre de corriente, lo que lleva a pérdidas de conmutación bajas. Las pérdidas de recuperación del diodo incorporado son muy pequeñas, y los dispositivos de SiC permiten una reducción en la lista de materiales (BOM). El sistema es robusto, duradero y proporciona una mayor confiabilidad.   Tomando como ejemplo un diseño de lado superior DC-DC con un voltaje de barra colectora de 500V, se puede utilizar una combinación de SiC de 1200V e IGBT en el lado de alto voltaje. El voltaje de accionamiento es de 15V/-2.5V y la frecuencia de conmutación es de 30kHz. En el otro lado del circuito, se pueden emplear SiC de 650V e IGBT con un voltaje de accionamiento de 15V/-2.5V y una frecuencia de conmutación de 76kHz. La eficiencia es mayor al usar dispositivos de SiC en el lado de alto voltaje. Los dispositivos de potencia de SiC operan con un accionamiento de 15V y son compatibles con las soluciones de dispositivos de potencia IGBT.

Desafíos de diseño y soluciones para convertidores de potencia DC/DC bidireccionales

Al diseñar convertidores de potencia DC/DC bidireccionales para ESS, hay numerosos desafíos que abordar. Por ejemplo, en el modo de descarga, resolver la operación en estado estacionario y el estrés de Vds en el MOS de lado bajo bajo condiciones de carga nula es crucial. Una solución es aumentar la inductancia a 200 µH en el lado primario del transformador. Este enfoque puede reducir el estrés de voltaje en un 25% y mejorar la eficiencia entre un 6% y un 7%.   Además, es necesario abordar los problemas de estrés de voltaje Vds durante el modo de descarga y el arranque. La solución es utilizar un control híbrido PWM+PFM en el puerto de entrada. Esto puede reducir el estrés de voltaje en un 27%, con un Vmax que alcanza 124V a 80V. De manera similar, en el modo de descarga, puede haber problemas con temperaturas excesivamente altas (96°C@2100W) en el capacitor resonante. Cambiar el modelo del capacitor a mkp21224/400VDC puede reducir la temperatura del capacitor resonante a 65°C@3000W.

Por otro lado, en el modo de descarga, la frecuencia de operación puede cambiar repentinamente a alrededor de 180 kHz, causando inestabilidad en la curva de ganancia. Para abordar este problema, el punto de frecuencia de tiempo de conducción fijo de SRMOS puede ajustarse para que sea inferior a 180 kHz, asegurando estabilidad en la curva de ganancia.

Los productos SiC MOSFET cumplen con los requisitos para diseños DC-DC

El diseño de referencia bidireccional de alta frecuencia DC-DC aislado de 6600V a 48V, respaldado por Shenzhen Winchen Electronics y Arrow, proporciona un ejemplo. En la sección de carga, admite un rango de carga del bus de CC de 380-480 VDC, corriente de carga ≤16A, voltaje de salida de 40-60 VDC, corriente de salida ≤140A y una potencia de salida máxima de 6.6 kW. La eficiencia de carga puede alcanzar el 95% a 420V, y el coeficiente de ondulación de corriente de carga es del 1%. En la sección de descarga, el rango de voltaje en el lado de la batería es 40-60 VDC, la corriente del lado de la batería ≤140A, el rango de voltaje del bus de CC es 380-480 VDC, la potencia de salida máxima es 6.6 kW, la eficiencia de descarga puede llegar al 94% a 54V, y el coeficiente de ondulación del voltaje del bus es del 1%.   En este diseño de referencia, sin el regulador Buck_Boost, el rango de operación en el lado de bajo voltaje es 43V-57V, el rango de operación a plena potencia es 49V-57V, la corriente máxima de salida estable es 142A y la corriente máxima de salida a corto plazo es 150A (Vin = 420V, carga resistiva). Con el regulador Buck_Boost, el rango de operación en el lado de bajo voltaje es 43V-57V, el rango de operación a plena potencia es 49V-60V, la corriente máxima de salida estable es 145A y la corriente máxima de salida a corto plazo es 150A (Vin = 420V, carga resistiva). Este diseño de referencia utiliza 8 piezas de los MOSFETs SiC SCT3030AR de Rohm en encapsulado TO-247, junto con el driver de compuerta BM61S41RFV-C y el MOSFET de potencia RJ1P12BBDTLL.   El SCT3030AR de Rohm es un MOSFET SiC Nch de 650V con encapsulado de 4 pines, ideal para aplicaciones que demandan alta eficiencia, como servidores, inversores de energía solar y estaciones de carga para vehículos eléctricos. Presenta una estructura de compuerta tipo trinchera con MOSFET SiC y pines separados de fuente de alimentación y fuente del driver en un paquete de 4 pines, maximizando el rendimiento de conmutación de alta velocidad, especialmente mejorando significativamente las pérdidas por conducción. Comparado con los paquetes tradicionales de 3 pines (TO-247N), las pérdidas totales por conducción y conmutación pueden reducirse aproximadamente un 35%.   El SCT3030AR de Rohm destaca por su baja resistencia de conducción, velocidad de conmutación rápida, rápida recuperación inversa, facilidad de conexión en paralelo y manejo simple. Está encapsulado con revestimiento libre de Pb, cumple con los estándares RoHS, lo que lo hace adecuado para una amplia gama de aplicaciones, incluidos inversores de energía solar, convertidores DC/DC, fuentes de alimentación conmutadas, calentamiento por inducción y accionamientos de motores.   El BM61S41RFV-C es un driver de compuerta con un voltaje de aislamiento de 3750 Vrms, un voltaje máximo de conducción de compuerta de 24V, un tiempo máximo de retraso de entrada/salida de 65 ns, un ancho mínimo de pulso de entrada de 60 ns y una corriente de salida de 4A. Presenta funciones de bloqueo por bajo voltaje (UVLO) y pinza activa de Miller, cumple con los estándares AEC-Q100 y está encapsulado en SSOP-B10W. El RJ1P12BBD es un MOSFET de potencia Nch de 100V y 120A con baja resistencia de conducción, alta potencia en un paquete pequeño moldeado. Utiliza revestimiento libre de Pb, cumple con los estándares RoHS, sin halógenos, y ha pasado las pruebas UIS.

Conclusión

A medida que la energía verde recibe una atención creciente por parte de la comunidad internacional, está impulsando el rápido desarrollo de las aplicaciones de ESS residenciales. Esto implica una cantidad considerable de componentes electrónicos y soluciones, representando una enorme oportunidad de mercado. Arrow puede ayudar a los clientes a desarrollar soluciones DC-DC para aplicaciones de ESS. El MOSFET de SiC de Rohm y los productos relacionados pueden cumplir con los requisitos de aplicación para DC-DC. Para obtener información más detallada, por favor contacte directamente a Arrow.