Solutions de stockage d'énergie résidentielle pour améliorer l'efficacité énergétique

Les solutions de stockage d'énergie résidentiel (ESS) ne sont pas seulement appliquées dans les environnements industriels et de production d'énergie, mais elles sont également devenues essentielles dans le secteur résidentiel, reflétant les applications actuelles et les tendances du marché. Bien que les solutions ESS résidentielles nécessitent une puissance moindre, les exigences en matière d'efficacité et de sécurité restent comparables à celles des applications industrielles. Cet article vous présentera les tendances du marché des solutions ESS résidentielles et les fonctionnalités des solutions associées au SiC introduites par Arrow et Rohm.

Applications ESS résidentielles pour stocker et gérer l'énergie électrique

Le système ESS résidentiel est une solution de stockage d'énergie conçue pour une utilisation dans des environnements résidentiels. Son objectif est de stocker et de gérer l'énergie électrique, visant à améliorer l'efficacité énergétique, réduire les coûts énergétiques, et renforcer la stabilité de l'approvisionnement en énergie. Les applications du système ESS résidentiel impliquent généralement des systèmes de production d'énergie solaire (systèmes photovoltaïques), où des panneaux photovoltaïques solaires sont souvent installés sur les toits ou d'autres emplacements appropriés pour convertir la lumière du soleil en énergie électrique sous forme de courant continu (DC).   Le système ESS nécessite également un régulateur de charge responsable de la surveillance de la production du système de production solaire et du contrôle du flux d'énergie électrique vers le système de stockage d'énergie. Il garantit que l'énergie électrique générée par l'énergie solaire est stockée dans la batterie. La batterie est la composante centrale du système ESS, utilisée pour stocker l'énergie électrique générée par l'énergie solaire pendant la journée, afin de l'approvisionner pendant la nuit ou les jours nuageux. Les technologies de batteries courantes incluent les batteries Lithium-ion (Li-ion) et les batteries au plomb-acide.   Le système ESS nécessite également un onduleur pour convertir le courant continu (DC) stocké dans la batterie en courant alternatif (AC) afin d'alimenter les appareils ménagers et l'éclairage. En outre, un système de gestion énergétique (EMS) est utilisé pour surveiller la consommation d'énergie domestique, les prévisions météorologiques, les prix de l'électricité et d'autres informations. Ce système optimise l'utilisation et le stockage de l'énergie, contrôlant automatiquement les processus de charge et de décharge pour garantir une efficacité énergétique optimale.   Le système ESS résidentiel peut également être connecté au réseau électrique, permettant aux ménages d'acheter de l'électricité si nécessaire ou de revendre l'énergie excédentaire au réseau lorsqu'il y a un surplus d'énergie. Ce flux bidirectionnel d'énergie est connu sous le nom de « comptage bidirectionnel ». Grâce aux systèmes de surveillance, les propriétaires peuvent suivre en temps réel l'état opérationnel du système énergétique, surveiller la production et la consommation d'énergie, et effectuer des ajustements opérationnels à distance. Cela inclut la modification du mode de fonctionnement du système de stockage d'énergie ou la définition des plages horaires de charge et de décharge.   L'architecture du système ESS résidentiel peut être ajustée en fonction des besoins spécifiques et des technologies afin de garantir des performances et une efficacité optimales. Ce système contribue à atteindre l'autosuffisance énergétique, les économies d'énergie et la réduction des émissions. De plus, il fournit une source de secours en cas de coupures de réseau.   Les exigences pour les applications du système ESS résidentiel diffèrent des applications industrielles, principalement en raison de la demande énergétique plus faible du système ESS résidentiel, qui nécessite typiquement une puissance inférieure à 10 kW. Il doit prendre en charge la conversion de puissance bidirectionnelle et utilise souvent des topologies AC/DC haute efficacité avec des caractéristiques de compatibilité électromagnétique élevées, ainsi que des topologies DC/DC haute efficacité et haute sécurité. Le système ESS résidentiel doit prendre en charge une large gamme de tensions de barre omnibus (360V - 550V) et place généralement la batterie du côté DC. L'efficacité du système doit généralement dépasser 90%, et une stabilité fiable du système est essentielle. Il y a une forte priorité à atteindre une densité de puissance élevée pour répondre aux objectifs de réduction de taille et de poids. Par ailleurs, la réduction des coûts est une considération essentielle, et des normes élevées en matière de sécurité, de compatibilité électromagnétique et de caractéristiques sonores sont nécessaires.

Les dispositifs SiC présentent des performances supérieures par rapport aux dispositifs au silicium

Pour répondre aux exigences mentionnées ci-dessus, il est courant d'utiliser le Carbure de Silicium (SiC) pour la conversion de puissance. Cela s'explique par les avantages significatifs des dispositifs SiC, qui améliorent l'efficacité du système dans des conditions de forte intensité et de haute température. Le champ de rupture élevé du matériau SiC permet aux dispositifs SiC de fonctionner à des tensions plus élevées, offrant une tolérance de tension supérieure par rapport aux dispositifs en silicium. Cela rend les dispositifs SiC particulièrement utiles dans les applications de conversion de puissance.   En outre, les dispositifs SiC présentent une mobilité électronique plus élevée, ce qui les rend supérieurs dans les applications à haute fréquence. Pour des applications comme les convertisseurs haute fréquence et les amplificateurs de puissance, les dispositifs SiC offrent de meilleures performances. La conductivité thermique du SiC est trois fois supérieure à celle des dispositifs en silicium, ce qui permet une réduction de la taille et du poids, augmentant ainsi la densité de puissance et optimisant les coûts du système. Avec une diminution du coût par unité de volume, l'énergie peut être convertie bidirectionnellement de manière sûre et fiable. Cela conduit à atteindre les objectifs de réduction de volume de 50% et de réduction du coût par unité de puissance, ce qui signifie qu'à puissance égale, les dispositifs SiC ont un volume plus réduit et un poids plus léger.   Le matériau SiC est chimiquement stable, présentant une faible susceptibilité à la corrosion par des substances corrosives. Cette propriété rend les dispositifs SiC plus adaptés aux applications dans des environnements extrêmes. La haute mobilité des porteurs des dispositifs SiC entraîne des vitesses de commutation plus rapides. Cela est bénéfique pour réduire les pertes de commutation, améliorer l'efficacité de conversion et renforcer les caractéristiques dynamiques des dispositifs.   L'adoption de solutions de stockage d'énergie utilisant le SiC permet de réduire la taille des produits et leur poids. Elle permet d’atteindre des fréquences de commutation plus élevées, et grâce à l’utilisation de dispositifs magnétiques plus petits, des transformateurs/inducteurs plus compacts peuvent être employés. Cela se traduit par des pertes réduites et une meilleure dissipation thermique. La même puissance peut être logée dans un boîtier plus petit comparé aux IGBT en silicium. Par rapport aux IGBT en silicium, le SiC offre une densité de puissance doublée (W/kg), atteignant une densité de puissance élevée. Il peut utiliser des topologies de convertisseurs bidirectionnels simples avec moins de contrôles de boucle, ce qui aboutit à une efficacité accrue.   Les dispositifs SiC présentent une résistance à l'état passant inférieure par unité de volume, ce qui entraîne des pertes de conduction réduites. Ils présentent de faibles pertes à l'état passant lors de l'arrêt, éliminant le phénomène de traînée de courant, ce qui conduit à de faibles pertes de commutation. Les pertes de récupération du corps de diode sont très faibles, et les dispositifs SiC permettent une réduction de la nomenclature des matériaux (BOM). Le système est robuste, durable et offre une fiabilité accrue.   En prenant l'exemple d'une conception haut côté DC-DC avec une tension de barre omnibus de 500V, on peut utiliser une combinaison de SiC 1200V et d'IGBT sur le côté haute tension. La tension de commande est de 15V/-2,5V, et la fréquence de commutation est de 30kHz. De l'autre côté du circuit, des SiC 650V et des IGBT peuvent être utilisés avec une tension de commande de 15V/-2,5V et une fréquence de commutation de 76kHz. L'efficacité est plus élevée lorsqu'on utilise des dispositifs SiC sur le côté haute tension. Les dispositifs de puissance SiC fonctionnent avec une commande de 15V et sont compatibles avec les solutions de dispositifs de puissance IGBT.

Défis de conception et solutions pour les convertisseurs de puissance DC/DC bidirectionnels

Lors de la conception de convertisseurs DC/DC bidirectionnels pour les ESS, de nombreux défis doivent être relevés. Par exemple, en mode décharge, il est crucial de résoudre les problèmes de fonctionnement en régime permanent et de stress de Vds du MOS côté bas en conditions sans charge. Une solution consiste à augmenter l'inductance à 200µH sur le côté primaire du transformateur. Cette approche peut réduire le stress de tension de 25% et améliorer l'efficacité de 6% à 7%.   De plus, il est nécessaire de traiter les problèmes de stress de tension Vds en mode décharge et lors du démarrage. La solution consiste à utiliser un contrôle hybride PWM+PFM au port d'entrée. Cela peut réduire le stress de tension de 27%, avec un Vmax atteignant 124V à 80V. De la même manière, en mode décharge, il peut y avoir des problèmes de température excessivement élevée (96°C@2100W) dans le condensateur résonant. Modifier le modèle de condensateur en mkp21224/400VDC peut abaisser la température du condensateur résonant à 65°C@3000W.

En revanche, en mode décharge, la fréquence de fonctionnement peut soudainement passer à environ 180kHz, provoquant une instabilité dans la courbe de gain. Pour résoudre ce problème, le point de fréquence de temps de conduction fixe du SRMOS peut être ajusté pour être inférieur à 180kHz, garantissant ainsi la stabilité dans la courbe de gain.

Les produits SiC MOSFET répondent aux exigences des conceptions DC-DC

La conception de référence DC-DC isolée bidirectionnelle haute fréquence 6600V 48V, soutenue par Shenzhen Winchen Electronics et Arrow, fournit un exemple. Dans la section de charge, elle prend en charge une plage de charge du bus DC de 380-480 VDC, un courant de charge ≤16A, une tension de sortie de 40-60 VDC, un courant de sortie ≤140A et une puissance de sortie maximale de 6,6 kW. L'efficacité de charge peut atteindre 95 % à 420V, et le coefficient d'ondulation du courant de charge est de 1 %. Dans la section de décharge, la plage de tension côté batterie est de 40-60 VDC, le courant côté batterie ≤140A, la plage de tension du bus DC est de 380-480 VDC, la puissance de sortie maximale est de 6,6 kW, l'efficacité de la décharge peut atteindre 94 % à 54V, et le coefficient d'ondulation de la tension du bus est de 1 %.   Dans cette conception de référence, sans le régulateur Buck_Boost, la plage de fonctionnement côté basse tension est de 43V-57V, la plage de fonctionnement à pleine puissance est de 49V-57V, le courant de sortie stable maximum est de 142A, et le courant de sortie maximal à court terme est de 150A (Vin = 420V, charge résistive). Avec le régulateur Buck_Boost, la plage de fonctionnement côté basse tension est de 43V-57V, la plage de fonctionnement à pleine puissance est de 49V-60V, le courant de sortie stable maximum est de 145A, et le courant de sortie maximal à court terme est de 150A (Vin = 420V, charge résistive). Cette conception de référence utilise 8 composants SCT3030AR TO-247 conditionnés en SiC MOSFETs de Rohm, ainsi que le pilote de grille BM61S41RFV-C et le MOSFET de puissance RJ1P12BBDTLL.   Le SCT3030AR de Rohm est un SiC MOSFET Nch 650V à 4 broches, idéal pour les applications exigeant une efficacité élevée telles que les serveurs, les onduleurs solaires et les stations de charge de véhicules électriques. Il présente une structure de grille en tranchée SiC MOSFET avec une broche de source d'alimentation et une broche de source de pilote séparées dans un boîtier à 4 broches, maximisant les performances de commutation haute vitesse et améliorant significativement les pertes de conduction. Comparé aux boîtiers traditionnels à 3 broches (TO-247N), les pertes totales de conduction et de commutation peuvent être réduites d'environ 35 %.   Le SCT3030AR de Rohm offre une faible résistance à l'état passant, une vitesse de commutation rapide, une récupération inverse rapide, une facilité de connexion en parallèle, et une conduite simplifiée. Il est conditionné avec un revêtement sans plomb, conforme aux normes RoHS, ce qui le rend adapté à une large gamme d'applications incluant les onduleurs solaires, les convertisseurs DC/DC, les alimentations à découpage, le chauffage par induction et les entraînements de moteurs.   Le BM61S41RFV-C est un pilote de grille avec une tension d'isolation de 3750 Vrms, une tension maximale de commande de grille de 24V, un délai maximum entrée-sortie de 65 ns, une largeur minimale d'impulsion d'entrée de 60 ns, et un courant de sortie de 4A. Il dispose d'un verrouillage de sous-tension (UVLO) et de fonctions d'atténuation Miller actives, est conforme aux normes AEC-Q100, et est conditionné dans un boîtier SSOP-B10W. Le RJ1P12BBD est un MOSFET n-ch 100V 120A avec une faible résistance à l'état passant, une puissance élevée dans un petit boîtier moulé. Il utilise un revêtement sans plomb, est conforme aux normes RoHS, sans halogène, et a réussi le test UIS.

Conclusion

Alors que l'énergie verte reçoit une attention croissante de la part de la communauté internationale, elle stimule le développement rapide des applications ESS résidentielles. Cela implique un nombre considérable de composants électroniques et de solutions, représentant une vaste opportunité de marché. Arrow peut aider les clients à développer des solutions DC-DC pour les applications ESS. Les produits SiC MOSFET de Rohm et les produits associés peuvent répondre aux exigences des applications en DC-DC. Pour plus d'informations détaillées, veuillez contacter Arrow directement.